DE2743161A1

DE2743161A1 - Analog-digital-wandler

Info

Publication number: DE2743161A1
Application number: DE19772743161
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Heitmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-09-26
Filing date: 1977-09-26
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE2743161C2; GB1591786A

Description

ROBERT BOSCH GMBH - 3 -

RL-Nr. 1817/77

Analog-Digital-Wandler Zusammenfassung

Es wird ein Analog-Digital-Wandler vorgeschlagen, welcher nach dem Parallel-Seriell-Prinzip arbeitet und aus zwei Analog-Digital-Wandlern mit geringerer Binärstellenzahl zusammengesetzt wird. Die Ausgangswerte das ersten Wandlers werden über einen Digital-Analog-Wandler dem zweiten Wandler als Referenzspannung zugeführt.

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Analog-Digital-Wandler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein Analog-Digital-Wandler bekannt, der nach dem sogenannten Seriell-Prinzip arbeitet. Bei diesem wird das zu wandelnde Analogsignal einem ersten Analog-Digita.lrWandler mit geringerer Binärstellenzahl zugeführt. Die Ausgangswerte dieses Wandlers werden über einen Digital-Analog-wandler einer Subtraktionsschaltung zugeführt, mit deren Hilfe das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers vom zu wandelnden Analogsignal subtrahiert wird. Die Differenz wird an einem zweiten Digital-Analog-Wandler mit ebenfalls geringerer Binärstellenzahl zugeführt. Die gesamten Ausgangswerte der beiden Analog-Digital-Wandler bi den dann das dem Analogsignal entsprechenden Digitalsignal. Diese bekannten Wandler sind recht einfach im Aufbau; es können jedoch Fehler u.a. dadurch entstehen, daß sie in dem zweiten Wandler enthaltene Referenzspannungsquelie und die vom Digital-Analog-wandler abgegebene Spannung Ungenauigkeiten unterworfen ist.

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ROBERT BOSCH GMBH - 4 -

RL-Nr.1817/77

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß beim zweiten Analog-Digital-Wandler eine sonst übliche Referenzspannungsquelle und Subtraktionsschaltung und somit eine Vereinfachung und eine Erhöhung der Genauigkeit auftritt.

Eine wer.terc Verbesserung von Analog-Digital-Wandlern ist mit Hilfe der Maßnahmen des Patentanspruchs 2 möglich. Durch diese Verbesserungen werden Fehler, welche vom Digital-Analog-wandler ausgehen, kompensiert, so daß eine Steigerung der Genauigkeit eines derartigen Analog-Digital-Wandlers möglich ist.

Durch die in dem Unteranspruch aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler möglich.

/Zeichnung

'Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig.1 einen bekannten Analog-Digital-Wandler nach dem Parallel-Seriell-Prinzip und

Fig.2 einen erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler und

Fig.3 einen erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler mit einer Regelung der Ausgangsspannung des Digital-Analog Wandlers.

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ROBERT BOSCH GMBH - 5 -

RL-Nr.1817/77

Beschreibung der Erfindung

Der Anordnung nach Fig.1 wird bei 1 das zu wandelnde Analog-Digital-Signal zugeführt und gelangt zu einem ersten Analog-Digital-Wandler 2. Der Analog-Digital-Wandler 2 ist derart ausgelegt, daß er von den insgesamt acht abzuleitenden Binärstellen die vier Stellen mit der höchsten Fertigkeit ableitet. Letztere sind in der Figur mit Bit 1, 2, 3 und 4 bezeichnet.

Diese Werte werden den Eingängen eines Eigital-Analog-Wandlers 3 zugeführt. Am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 3 entsteht somit eine Spannung, deren Wert dem Wert der ersten vier Binärstellen entspricht. Diese Spannung wird mit Hilfe einer Subtraktionsschaltung 5 von dem Eingangssignal abgezogen. Das Ergebnis, das naturgemäß kleiner als der dem Bit 4 entsprechende Wert ist, wird einem zweiten Analog-Digital-Wandler zugeführt, welcher aus diesem Rest die Werte für die restlichen 4 Bits (Bit 5 bis Bit 8) ermittelt. Sowohl die beiden Analog-Digital-Wandler 2 und 6 als auch der Digital-Analog-Wandler 2 beinhalten Referenzspannungsquellen, •die eine hohe Genauigkeit aufweisen sollten,jedoch sowohl * zeitlichen Schwankungen als auch Exemplarbetreuungen unterworfen sind. Schließlich können sogar Ungenauigkeiten der Subtraktionsschaltung zu Fehlern führen.

Bei dem erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler wird die Anzahl der Fehlerquellen verringert. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 wird ein bei 7 zugeführtes Analogsignal einem gleichen 4-Bit-Wandler wie bei der Anordnung nach Fig.1 zugeführt. Dieser ermittelt in gleicher Weise wie der Wandler nach Fig.1 die vier Bits mit der höchsten Wertigkeit.

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An diese Ausgänge des Analog-Digital-Wandlers 2 ist ebenfalls ein Pigital-Analogwandler 8 angeschlossen, dessen Ausgangsspannung jedoch nicht wie nach Fig.1 von dem zu wandelnden Analogsignal subtrahiert wird, sondern über den aus den Widerständen R bestehenden Spannungsteiler mehreren Eingängen von Komparatoren 9, 10, 11. 12 eines zweiten Analog-Digital-Wandlers 13 zugeführt. Das vom Digital-Analog-Wandler 8 abgewandte Ende des Spannungsteilers ist mit einer Konstantstromquelle 14 verbunden. Außerdem wird vorausgesetzt, daß der Digital-Analog-Wandler 8 über einen niederohmigen Spannungsausgang verfügt. Durch die Einspeisung des konstanten Stromes wird erreicht, daß die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 8 an den Verbindungspunkten zwischen den Widerständen R um jeweils eine konstante Spannung I · R versetzt auftritt. Den anderen Eingängen der Komparatoren 9 bis 12 wird das zu wandelnde Analogsignal vom Eingang 7 zugeführt. Je nach der Anzahl der noch zu ermittelnden Binärstellen, im gezeigten Beispiel Bit 1 bis Bit 4, ist die Anzahl der Komparatoren zu wählen, wobei sich für das gezeigte Beispiel 7 Komparatoren ergeben. Der Übersichtlichkeit halber sind •jedoch nur vier davon dargestellt. Mit Hilfe des beschriebenen Analog-Digital-Wandlers 13, bei dem also mit Hilfe der

Widerstände R und der Komparatoren 9 bis 12 die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 8 direkt mit dem Analogsignal verglichen wird, wird also ohne weitere Differenzbildung direkt derjenige Anteil des Analogsignals umgewandelt, der noch nicht vom Analog-Digital-Wandler 2 erfaßt wurde.

Durch den Fortfall der separaten Subtraktionsschaltung 5 (Fig.1) sowie eine überlicherweise im zweiten Analog-Digital-Wandler vorhandenen Referenzspannungsquelle ergibt sich einerseits eine Erhöhung der Genauigkeit bei der Umwandlung und andererseits eine Verbilligung eines Analog-Digital-Wandlers .

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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig.3 stellt 31 einen ersten Analog-Digital-Wandler, entsprechend dem in Fig.2 gezeigten Teilwandler 2, dar. Der erste Analog-Digital-Wandler umfaßt drei Komparatoren 32, 33 und 34, deren jeweils einem Eingang das bei 35 zugeführte Analogsignal zugeführt wird. Die Referenzspannungen für die Komparatoren 32, 33 und 34 werden über einen Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen 36, 37, 38 und 39, erzeugt. Den Enden 41 und 42 dieses Spannungsteilers werden Spannungen U und U zugeführt, welche dem gesamten Aussteuerungsbereich des Analog-Digital-Viandlers entsprechen. In Fig.3a ist dieser Aussteuerungsbereich schematisch angedeutet, ebenso wie die drei den Komparatoren zugeführten Referenzspannungen U , U und U ·

Diese Quantisierungsstufen legen die ersten beiden Binärstellen des Digitalsignals fest, was ebenfalls in Fig.3a angedeutet ist. Befindet sich beispielsweise ein Momentanwert des bei 35 zugeführten Signals unterhalb der Spannung U , so gibt der erste Teilwandler die Binärzahl 00 ab. Dazu ist es erforderlich, daß die Ausgangsspannungen der Komparatoren noch über einen ümcodierer 43 geleitet werden, der in Fig.3 ■;' schematisch dargestellt ist. Zur Ermittlung der weiteren ; Binärstellen wird das Signal einem zweiten Analog-Digital-Wandler 56 zugeführt, der aus den Komparatoren 44, 45 und 46 und einem weiteren Ümcodierer 65 besteht. Die Referenzspannungen für die Komparatoren 44, 45 und 46 werden wie bei der Anordnung nach Fig.2 mit Hilfe der Konstantstromquelle und den Widerständen 47, 48 und 49 aus der Spannung U- abgeleitet. Das vollständige vierstellige digitale Ausgangssignal ist an den Ausgängen 61 und 62 des ümcodierers 43 und den Ausgängen 63 und 64 des ümcodierers 6 5 abnehmbar.

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Wie bei der Anordnung nach Fig.2 werden die Ausgangssignale des ersten Teilwandlers 31 einem Digital-AnalogWandler zugeführt. Dessen Ausgangsspannung kann sowohl im Hinblick auf die Amplitude als auch im Hinblick auf den Gleichspannungswert beeinflußt werden. Um dieses zu verdeutlichen, wurde der Digital-Analog-Wandler 50 in Fig.3 schematisch in einen eigentlichen Digital-Analog-Wandler 51 eine Schaltung zur Verstärkungssteuerung 52 und in eine Additionsschaltung 53 aufgeteilt. Mit Hilfe der Schaltung 52 kann durch ein bei 54 zugeführtes Steuersignal die Amplitude der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 50 beeinflußt werden. Entsprechend kann mit Hilfe eines bei 55 zugeführten Steuersignals der Gleichspannungswert verändert werden. Diese Darstellung des Digital-Analog-Wandlers 50 wurde der Übersichtlichkeit halber vorgenommen. In der Praxis ist die Amplitude des Ausgangssignals bei den meisten verwendeten Digit al- AnalogjWandlern dadurch zu verändern, daß die Referenzspannungs- oder Stromquelle beeinflußt wird.

Wie bereits erwähnt, wird die Ausgangsspannung des Digital-Analog -Wandlers 50 dem zweiten Teilwandler 56 als Referenz-.spannung zur Ermittlung der weiteren Binärstellen zugeführt. >'Zur genauen Funktion des gesamten Analog-Digital-Wandlers ist es nun erforderlich, daß diese Referenzspannung genau der jeweils unterschrittenen Referenzspannung des ersten Teilwandlers entspricht, so daß also durch den zweiten Teilwandler nur jeweils genau der Teil der Eingangsspannung berücksichtigt wird, welcher nicht bereits durch den ersten Teilwandler verarbeitet wurde.

Hierzu wird nun mit Hilfe einer sogenannten Sample-and-Hold-Schaltung 57 das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers während derjenigen Zeit, während der die Referenzspannung U

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unterschritten ist, gemessen und über einen Zeitraum, der mindestens bis zur nächsten zu erwartenden Unterschreitung andauert, gespeichert. Diese gespeicherte Spannung wird dem negierenden Eingang eines Differenzverstärkers 58 zugeführt, dessen anderem, nicht negierenden Eingang die für die untere Grenze des Aufsteuerungsbereichs maßgebliche Spannung U zugeführt ist.

Ist also das Eingangssignal kleiner als U , das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 50 jedoch nicht genau gleich der Spannung U , so gibt der Differenzverstärker 58 eine Spannung zur Korrektur des Gleichspannungsanteils des Digital-Analog -Wandlers 50 ab. Somit erfolgt eine Korrektur des Gleichspannungsversatzes derart, daß die Abweichung der Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 50 von der Spannung U verringert wird.

Ist beispielsweise das Eingangssignal größer als U-/ ^so wird mit Hilfe der Sample-and-Hold-Schaltung 59 die zu dieser Zeit vorliegende Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 50 dem Differenzverstärker 60 zugeführt und diese mit der Spannung U _ verglichen. Wird hier eine Abweichung festgestellt, so wird die Amplitude des Ausgangssignals des Digital : Analog -Wandlers 50 entsprechend verändert. Dadurch wird sichel gestellt, daß trotz thermisch und zeitlich bedingten Veränderungen des Digital-Analog-Wandlers die im zweiten Teilwandler 56 ermittelten Binärstellen direkt an diejenigen, welche im ersten Teilwandler 31 ermittelt wurden, anschließen.

Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, den Gegenstand des Patentanspruchs 2 bei einer Anordnung nach Fig.1 anzu wenden. Hierbei würde das der Subtraktionsschaltung 5 zugeführte Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 3 entsprechend korrigiert werden.

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Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlers zur Wandlung von Fernsehsignalen ist normalerweise ein regelmäßiges über- bzw.Unterschreiten der für die Regelung verwendeten Quantisierungsschwellen gegeben. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 wurden weit voneinander entfernte Quantisierungsschwellen zur Korrektur verwendet, was zwar zur Erhöhung der Genauigkeit beiträgt, jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Wird beispielsweise einem Wandler, der für ein Farbfernsehsignal ausgelegt ist, lediglich ein sogenanntes ΒΑ-Signal zugeführt, das weder über ein Synchronsignal noch über einen Farbhilfsträger verfügt, so könnte es bei dem gezeigten Beispiel einer 4-Bit-Wandlung vorkommen, daß die durch die Spannung ü und U _ gegebenen Quantisierungsschwellen nicht überschritten werden. In diesem Fall würde ein Wandler nach Fig.3 nicht mit der sonst erzielbaren erhöhten Genauigkeit arbeiten. Es sei denn, in einem solchen Fall würde man die zur Regelung des Digital-Analog-Wandlers verwendeten Quantisierungsschwellen umschalten. Eine weitere Möglichkeit, die erzielbare Genauigkeit beizubehalten, besteht darin, dem ΒΑ-Signal geeignete Impulse zuzufügen, deren Amplitude über die äußeren Quantisierungsschwellen hinausgehen, Diese Impulse könnten beispielsweise Synchronimpulse und Weißwertimpulse während eines nicht für die übertragung von In-' formationen vorgesehenen Zeitraumes sein.

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Leerseite

Claims

ROBERT BOSCH GMBH _{den 2}1.Sept.1977

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Analog-Digital-Wandler

Patentansprüche

^r Analog-Digital-Wandler nach dem Parallel-Seriell-Prinzip, bei welchem zwei Teil-Wandler einen Teil der Binärstellenwerte erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß das Analogsignal beiden Teil-Wandlern (13) zugeführt ist, daß die Ausgänge des ersten Teil-Wandlers (2) mit den Eingängen eines Digital-Analog-Wandlers (8) verbunden sind und daß die Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers (8) dem zweiten Teil-Wandler (13) als Referenzspannung zugeführt ist.
2. Analog-Digital-Wandler nach dem Parallel-Seriell-Prinzip, bei welchem zwei Teilwandler einen Teil der Binärstellenwerte erzeugen und die Ausgänge des ersten Teilwandlers mit den Eingängen eines Digital-Analog-Wandlers verbun den sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Aucgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers bezüglich der Amplitude und/oder des Gleichspannungswertes von zugeführten Steuerspannungen beeinflußbar ist und daß die Steuerspannungen durch Differenzbildung bei über- oder Unter.schreitung jeweils einer Quantisierungsschwelle zwischen Referenzspannungen und der Ausgangsspannung des Digital-Analog- Wandlers erzeugt sind.

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ROBERT BOSCH GMBH _ 2 -

RL-Nr. 1817/77
3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung einer Quantisierungsschwelle des ersten Teilwandlers die für die betreffenden Schwellen vorhandene Referenzspannung zur Differenzbildung verwendet ist.
4. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzoichnet, daß bei Unterschreitung einer Quantisierungsschwelle die jeweils um eine Quantisierungsstufe niedrigere Referenzspannung zur Differenzbildung verwendet ist.
5. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannungen oder die zur Differenzbildung verwendete Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers mindestens bis zur folgenden über- oder Unterschreitung einer Quantisierungsschwelle gespeichert wird.
6. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den zu wandelnden Signalen Impulse zugefügt sind, deren Amplitude die unterste bzw. oberste Quantisierungsschwelle unter- bzw. überschreiten.
7. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsausgang des Digital-Analog-Wandlers (8) über eine Reihe von - vorzugsweise gleichen - Widerständen (R) an eine Konstant-Strom-Quelle (14) angeschlossen ist und daß die Verbindungspunkte zwischen den Widerständen (R) bzw. zwischen dem letzten Widerstand und der Konstant-Strom-Quelle (14) mit jeweils einem Referenzspannungs-Komparator (9,10,11, 12) verbunden sind. 909814/019·