DE2852095C2 - Analog-digital conversion with step-by-step approximation of a digital signal to an analog signal to be converted - Google Patents

Analog-digital conversion with step-by-step approximation of a digital signal to an analog signal to be converted

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Description

Die Erfindung betrifft eine Analog-Digital-Wandlung mit stufenweiser Approximation eines Digitalsignals an ein umzusetzendes Analögsigna!, Wobei dem einen Eingang eines !Comparators das Analogsignal Und dem anderen Eingang des !Comparators das Ausgangssignal eines Digital^Analog-Wandlers zugeführt wird, der eingangsseitig mildem Digitalsignal beaufschlagt ist.The invention relates to an analog-digital conversion with step-by-step approximation of a digital signal an analog signal to be converted !, with one input of a! comparator being the analog signal and the the other input of the! Comparator is fed the output signal of a digital ^ analog converter, which a mild digital signal is applied to the input side.

Derartige Änalog'Digital-Wandlungen sind aus dem Buch Von Lange »Digital^Analog bzw, Analog-Digital· Wandlung« Oldenbourg Verlag, München Wien 1974, Seiten 25 bis 45 bekannt. Es kann sich dabei um Analog-Digital-Wandlungen mit kontinuierlicher treppenförmiger Annäherung handeln, bei der der Digitalwert durch Durchzählen eines Vorwärtszählers verändert wird. Ebenso kann es sich um eine sukzessive Annäherung handeln, bei der die verschiedenen Digitalstellen eines Speichers nacheinander von einer SteuerlogiK abgefragt werden. Der Speicher kann sowohl rein binär als auch in BCD-Code ausgeführt sein.Such analogue-digital conversions are from the Book by Lange »Digital ^ Analog or, Analog-Digital · Wandlung "Oldenbourg Verlag, Munich Vienna 1974, pages 25 to 45 known. It can be about Analog-digital conversions act with a continuous step-like approximation, in which the digital value changes by counting an up counter will. It can also be a successive approximation in which the various Digital digits of a memory can be queried one after the other by a control logic. The memory can both purely binary and in BCD code.

Bei einer weiteren bekannten Analog-Digital-Wandlung dieser Art (DE-OS 14 62 664) wird einem Digital-Analog-Wandler eine Spannung mit der konstanten Größe ZlKaIs Spaltbreitenspannung zugeführt Diese Spaltbreitenspannung dient im wesentlichen dazu, während der stufenweisen Approximation des Digitalsignals an ein Analogsignal Ungleichmäßigkeiten in den Stufenhöhen auszugleichen und somit über alle Stufen eine gleichbleibende Linearität bei der Wandlung zu gewährleisten.In another known analog-to-digital conversion of this type (DE-OS 14 62 664) a digital-to-analog converter is a voltage with the constant Size ZlKaIs gap width tension supplied This gap width voltage essentially serves to avoid irregularities in the during the step-wise approximation of the digital signal to an analog signal To compensate for step heights and thus a constant linearity in the conversion across all steps guarantee.

Bei all diesen Verfahren ist die Genauigkeit der erzeugten Digitalweries durch das niedrigstwertige Bit (LSB) des Digitalwertbildners, also z. B. des Zählers oder des Speichers festgelegt.In all of these methods, the accuracy of the digital values generated is due to the least significant bit (LSB) of the digital value generator, so z. B. the counter or the memory.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Analog-Digital-Wandlung der eingangs genannten Art die Auflösung gegenüber der des verwendeten Digital-Analog-Wandlers ohne großen Aufwand erheblich zu steigern.The present invention is based on the object in an analog-digital conversion of the type mentioned the resolution compared to that of the digital-to-analog converter used without major Increase effort significantly.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Analogsignal oder zum Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers eine Rampenfunktion addiert wird, deren Maximalwert annähernd der Größe des niedrigstwertigen Bits des Digital-Analog-Wandlers und deren Zeitdauer annähernd einem Vielfachen der Zeitdauer der stufenweisen Approximation entspricht, und daß während der Zeitdauer der Rampenfunktion der arithmetische Mittelwert mehrerer nach jeweils einer stufenweisen Approxima*ion vorliegender Digi talsignale gebildet wird.This object is achieved in that the analog signal or the output signal of the Digital-to-analog converter a ramp function is added, the maximum value of which is approximately the size of the least significant bits of the digital-to-analog converter and their duration approximately a multiple of Corresponds to the duration of the stepwise approximation, and that during the period of the ramp function the arithmetic mean value several after each a stepwise approxima * ion of the present digi valley signals is formed.

Durch die Addition einer Rampenfunktion mit dem Maximalwert von etwa einem LSB des Digital-Analog-Wandlers beispielsweise zum Analogsignal und durch arithmetische Mittelwertbildung über mehrere Wandlungen während der Zeitdauer der Rampenfunktion wird die Auflösung erhöht. Je mehr Wandlungen für die Mittelwertbildung herangezogen werden, umso größer wird die Steigerung der Auflösung. Geht man z. B. von einem 8-Bit Digita'-Analog-Wandler mit einer 12-Bit Linearität aus und mittelt man über 24 = 16 Wandlungen, so ergibt das eine Auflösung, die der einer 12-Bit Wandlers entspricht. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Digital Analog Wandlung besteht also in der Verwendung eines einfachen (mit geringer Auflösung) und damit preisgünstigen Digital-Analog Wandlers. Außerdem ist. wenn man bei dem Beispiel bleibt, nur eine 8-Bit Busankopplung notwendig. Das entspricht genau der Größe eines Ports. Weiterhin braucht das Approximationsprogramm nur für diese 8 Bit ausgelegt zu sein. Zusätzlich ist lediglich eine 12-Bit Addition der Wandlungsergebnisse erforderlich.The resolution is increased by adding a ramp function with the maximum value of approximately one LSB of the digital-to-analog converter to the analog signal, for example, and by arithmetic averaging over several conversions during the duration of the ramp function. The more conversions are used for averaging, the greater the increase in resolution. If you go z. B. from an 8- bit digital analog converter with a 12-bit linearity and averaged over 2 4 = 16 conversions, the result is a resolution that corresponds to that of a 12-bit converter. One advantage of the digital-to-analog conversion according to the invention consists in the use of a simple (with low resolution) and thus inexpensive digital-to-analog converter. Also is. if you stay with the example, only an 8-bit bus coupling is necessary. That corresponds exactly to the size of a port. Furthermore, the approximation program only needs to be designed for these 8 bits. In addition, only a 12-bit addition of the conversion results is required.

Entspricht der Maximalwert der Rampenfunktion nicht exakt einem LSB, oder !st ihre Zeitdauer nicht genau gleich einem Vielfachen einer Wandlung, so wird dadurch die erzielte Auflösungssteigerung etwas geringer, am Prinzip ändert sich nichts-If the maximum value of the ramp function does not exactly correspond to one LSB, or if its duration does not exist exactly equal to a multiple of a conversion, then the achieved increase in resolution is somewhat lower, the principle does not change

Zwar ist bekannt, daß bei einem Analog-Digital-Wandler (DE-OS 21 06 679) dem analogen Einganges!'It is known that in an analog-to-digital converter (DE-OS 21 06 679) the analog input! '

gnai ein oder mehrere Rechtecksignale zu überlagern, um damit die Auflösung zu erhöhen; die Periodendauer dieser Rechtecksignale ist jedoch wesentlich kleiner als die Zeitdauer einer vollständigen Approximation bzw. Wandlung. Zur Auswertung des analogen Eingangssignals mit dem ihm überlagerten Rechtecksignal ist hier ein analoger Filterbaustein notwendig, der die höherfrequenten Rechtecksignale am Ausgang ausfiltert. Eine Erhöhung der Auflösung ergibt sich bei diesem bekannten Ana'og-Digital-Wandler nur durch die Ausfilterung bzw. Glättung der Rechteckschwingungen, womit Zwischenwerte zwischen den Approximationsstufen gebildet werden können.gnai to superimpose one or more square wave signals, in order to increase the resolution; however, the period of these square-wave signals is much smaller than the duration of a complete approximation or conversion. For evaluating the analog input signal with the square-wave signal superimposed on it, an analog filter module is required here to control the higher-frequency Filters out square-wave signals at the output. This results in an increase in the resolution known Ana'og digital converter only through the Filtering out or smoothing of the square waves, with which intermediate values between the approximation levels can be formed.

Bei einer weiteren Analog-Digital-Wandlung ist es bekannt (»The Bell System Technical Journal, 56 (1977), Nr.9, Novn Seiten 1629-1631, 1540, 1641). das Ausgangssignal eines Quamisierangsbausteines über einen Digital-Analog-Wandlerbaustein auf den Eingang zurückzuführen und mit dem analogen Eingangssignal zu verknüpfen. Hierdurch lassen sich jedoch lediglich Rauscheinflüsse bei der Quantisierung durch schnelle Wiederholung dieser Quantisierungen während eines festgelegten Zeitraumes und durch anschießende Filterung vermindern. Eine Erhöhung der Auflösung ergibt sich nichtIn the case of a further analog-to-digital conversion, it is known (»The Bell System Technical Journal, 56 (1977), No. 9, Nov n pages 1629-1631, 1540, 1641). the output signal of a quamization module is fed back to the input via a digital-to-analog converter module and linked with the analog input signal. However, this only makes it possible to reduce the effects of noise during the quantization by repeating these quantizations quickly during a specified period and by subsequent filtering. There is no increase in resolution

Ferner ist bekannt (»IBM Technical Disclosure Bulletin. 17 (1975), Nr. 11, April, S. 3485), bei einer Analog-Digital-Wandlung ein oder mehrere Analog-Digital-Wandlerbausteine mit einem Logikbaustein und einem Addierer sowie einen Speicher zu verknüpfen, wobei der Logikbaustein in kurzen Abständen Digitalwerte am Ausgang des Analog-Digital-Wandlerbausteines bzw. des Addierers abfragt und dem Speicher zuführt. Die Analog-Digital-Wandlerbausteine sind jeweils gleich aufgebaut und zueinander parallel geschaltet, wodurch Störeinflüsse, die auf jeweils einen Wandlerbaustein einwirken, weitgehend eliminiert werden; eine Erhöhung der Auflösung ergibt sich hier ebenfalls nicht, da alle Wandlerbausteine im günstigen Fall das gleiche Ausgangssignal liefern.It is also known (»IBM Technical Disclosure Bulletin. 17 (1975), No. 11, April, p. 3485), at one Analog-digital conversion one or more analog-digital converter modules to be linked with a logic module and an adder as well as a memory, the logic module having digital values at the output of the analog-to-digital converter module at short intervals or the adder queries and supplies the memory. The analog-to-digital converter modules are each of the same structure and connected in parallel to each other, thereby interfering influences on each one Acting converter module, are largely eliminated; there is an increase in the resolution here also not, since all converter modules deliver the same output signal in the best case.

Als Rampei.-'unktion bei der anmeldungsgemäßen Wandlung kann eine stetig ansteigende Funktion verwendet werden, wie sie beispielsweise einem Sägezahngenerator entnehmbar ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rampenfunktion eine Treppenkurve mit gleich großen Stufen darsteiit und daß die Zeitdauer jeder Stufe gleich der Zeitdauer der stufenweisen Approximation ist. Soll z. B. über 2™·Wandlungen gcmittelt werden, so ergibt sich die größte Aufiösungsverbesserung bei einer Treppenkurve mit 2m-Stufeii von der Größe '/2 m LSB. Für jede Wandlung im Rahmen der 2m-Wandlungen ändert sich an dem auch mit der Rampenfunktion beaufschlagten Eingang des Komparators die Signalgroße um den 2mten Teil des niedrigstwertigen Bits des Digital-Analog-Wandlers. Für eine gewisse Anzahl von Wandlungen ergibt sich zunächst ein Digitalwert, der auch ohne die Rampenfunktion entstanden wäre. Dieser Digitalwert entspricht einem Analogwert, der im allgemeinen von dem Wert des umzusetzenden Analogsignals etwas abweicht. Wenn die Summe aus dieser Abweichung und der Rampenfunktion ein LSB ergibt, dann ändert sich bei dieser und den folgenden Approximationen der ermittelte Digitalwert. Er erhöht sich um ein LSB. Aus dem Verhältnis der Anzahl der Wandlungen, bei denon sich ein erhöhter Digitalwert ergibt, zur Gesamtzahl der zur Mittelwertbildung herangezogenen Wandlungin lassen sich zusätzliche Digitalstellen kleinerer Wertigkeit bestimmen.A steadily increasing function can be used as the ramp function in the conversion according to the application, as can be derived, for example, from a sawtooth generator. In an advantageous further development of the invention it is provided that the ramp function represents a stepped curve with equally large steps and that the duration of each step is equal to the duration of the step-by-step approximation. Should z. B. are determined over 2 ™ · conversions, the greatest improvement in resolution results in a stepped curve with 2 m steps of the size '/ 2 m LSB. For each conversion within the scope of the 2 m conversions, the signal variable at the input of the comparator, which is also subjected to the ramp function, changes by the 2 m th part of the least significant bit of the digital-to-analog converter. For a certain number of conversions, there is initially a digital value that would have arisen even without the ramp function. This digital value corresponds to an analog value which generally deviates somewhat from the value of the analog signal to be converted. If the sum of this deviation and the ramp function results in an LSB, then the determined digital value changes with this and the following approximations. It increases by one LSB. Additional digital digits of lower significance can be determined from the ratio of the number of conversions in which an increased digital value results to the total number of conversions used for averaging.

Die Rampenfunktion kann ebenso wie das umzusetzende Anaiogsignal von außen zugefühit werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Digital-Analog-Wandler vor Beginn jeder Approximation kurzzeitig so angesteuert wird, daß sein auf ein Speicherglied (sample and hold) gegebenes Ausgangssignal — gegebenenfalls nach einer Spannungsteilung — dem jeweils benötigten Stufenwert in der Treppenkurve entspricht. Auf einen externen Funktionsgeber kann dadurch verzichtet v/erden.The ramp function, like the analog signal to be converted, can be supplied from outside. In An advantageous development of the invention provides that the digital-to-analog converter before The beginning of each approximation is controlled briefly in such a way that its on a memory element (sample and hold) given output signal - if necessary after a voltage division - the respectively required step value in the stepped curve. This means that there is no need for an external function generator.

Um die erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandlung möglichst unempfindlich gegen Störwechselspannungen zu machen, ist vorteilhafterweise die Zeitdauer, über die der arithmetische Mittelwert gebildet wird, auf die Periodendauer einer dem Analogsignal überlagerten Störwechselspannung abgestimmt. Man erreicht dadurch eine quasi integrierende Analog-Digital-Wandlung, wie sie für die bekannten Analog-Digital-Wand- _'o lungen bereits in dem Buch »Prozeßrechner« von Anke, Kaltenecker, Oetker, Oldenbourg '';rlag München Wien, 1970, Seiten ! !4 und 1! 5 beschrietep ist.To make the analog-to-digital conversion according to the invention as insensitive as possible to interfering AC voltages to make, is advantageously the period of time over which the arithmetic mean is formed on the Period of an interfering alternating voltage superimposed on the analog signal matched. One achieves through it a quasi-integrating analog-digital conversion, as it is for the well-known analog-digital wall _'o lungs already in the book "Process Computer" by Anke, Kaltenecker, Oetker, Oldenbourg ''; rlag Munich Vienna, 1970, pages! ! 4 and 1! 5 is described.

Für einen Analog-Digital-Wandler mit einem Digitalwertbildner, einen Komparator und einem Digital-Ana-2i log-Wandler zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandlung empfiehlt es sich, daß der Digitalwertbildner und der Digital-Analog-Wandler für η Bit ausgelegt ist. wobei der Wandler eine Linearität von η + m Bit besi'zt, und daß ein Addierglied für η + m Bit vorgesehen ist, dem die Signale des Digitalwertbildners nach jeder von 2m stufenweisen Approximationen zugeführt werden. Als Digitalwertbildner können von einem Taktgenerator angesteuerte Vorwärtszähler oder auch von einer Steuerlogik angesteuerte digitale Speicher verwendet werden. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung ergibt sich, wenn der Digitalwertbildnur und der Addierer Teile eines Mikroprozessors sind.For an analog-to-digital converter with a digitizer, a comparator and a digital-to-analog converter for performing an analog-to-digital conversion according to the invention, it is recommended that the digitizer and the digital-to-analog converter be designed for η bits is. wherein the converter possesses a linearity of η + m bits, and that an adder for η + m bits is provided, to which the signals of the digital value generator are fed after each of 2 m stepwise approximations. Up counters controlled by a clock generator or digital memories controlled by a control logic can be used as digital value formers. A particularly advantageous embodiment results when the digital value image only and the adder are parts of a microprocessor.

In den bisherigen Ausfuhrungen war stets r.ur vo ι der Analog-Digiial-Wandlung eines einzigen umzusetzenden Analogsignals die Rede. Vorteilhaft läßt sich die erfin^'ungsgemäße Analog-Digital-Wandlung oder ein danach arbeitender Analog-Digital Wandler auch für /r-Analogsignale einsetzen. Dabei können beispielsweise ein Mikroprozessor und ein Digital-Analog-Wandler und k-Eingangsports und /r-Komparatoren vorgesehen sein. Anstelle der Ä-Eingangsports kann ein Eingangsport und ein digitaler Multiplexer eingesetzt werden. Die Ä-Komparatoren können durch einen einzigen •so Komparator und einen analogen Multiplexer ersetzt werden.In the previous explanations, there was always talk of analog-digital conversion of a single analog signal to be converted. The analog-to-digital conversion according to the invention or an analog-to-digital converter operating according to it can advantageously also be used for analog signals. For example, a microprocessor and a digital-to-analog converter and k input ports and / r comparators can be provided. Instead of the Ä input ports, an input port and a digital multiplexer can be used. The λ comparators can be replaced by a single • so comparator and an analog multiplexer.

Prinzipiell kann fur die erfindungsgemäße Analog-Digital-Wandlung jeder Digital-Analog-Wandler verwendet we'-Jm Wählt man z. B. einen Digital-Analog-Wandler mit gewerteten Widerständen, wie er aus dem Buch von Lange »Digital Analog bzw. Analug Digital Wandlung« Oldenbourg-Verlag München Wien 1974. Seite 23, Bild 5 bekannt ist, so kann die Rampenfunktion einfach auf den nicht invertierenden Eingang des Summationsverstärk^rs geschaltet und damit dem analogen Ausgangssignal dieses Digital· Analog-Wandlers hinzu addiert werden,In principle, for the analog-to-digital conversion according to the invention every digital-to-analog converter uses we'-Jm. B. a digital-to-analog converter with weighted resistances, as found in Lange's book “Digital Analog or Analog Digital Wandlung «Oldenbourg-Verlag Munich Vienna 1974. Page 23, Fig. 5 is known, then the ramp function simply switched to the non-inverting input of the summation amplifier and thus to the analog output signal of this digital to analog converter are added,

Im folgenden ist anhand der F i g. 1 bis 5 divi Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt dieIn the following, with reference to FIG. 1 to 5 divi invention explained in more detail. The

F i g, 1 den zeitlichen Ablauf einer Analog-Digital· Wandlung gemäß der Hrfindung, InF i g, 1 the chronological sequence of an analog-digital conversion according to the invention, In

Fig,2 sind entsprechend dazu die Ergebnisse von acht Wandlungen während der Zeitdauer der Rampen*2 are the results of FIG eight changes during the duration of the ramps *

funktion dargestellt. Diefunction shown. the

Fig.3 und 4 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsforrnen eines Analog-Digilal-Wandlers für jeweils ein umzusetzendes Analogsignal.3 and 4 show two different embodiments an analog-digilal converter for one analog signal to be converted.

Fig. 5 zeigt einen Analog-Digital-Wandler für mehrere Analogsignale.Fig. 5 shows an analog-to-digital converter for several analog signals.

In Fig. I isl der zeitliche Ablauf einer stufenweisen Approximation wiedergegeben. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur eine 4-Bit Auflösung dargestellt, d. h. es wird von der Verwendung eines Digital-Analog-Wnfidlers mit ebenfalls nur 4 digitalen Stellen ausgegangen. Im oberen Teil der F i g. I ist über der Zeit / die Ausgangsspannung Udm eines solchen Digital- Analog-Wandlers aufgetragen. Gleichzeitig isl ein umzusetzendes Analogsignal U, als parallele Gerade zur Zeitachse eingetragen. Im unleren Teil der F i g. I ist ebenfalls über der Zeit das Ausgangssignal eines Komparator aufgetragen, das sich aus dem Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers und dem umzusetzenden Analogsignal ergibt. Dabei ist angenommen, daß das Ausgangssignal des Komparators den Wert 1 aufv/eist. solange das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers kleiner als das umzusetzende Analogsignalist. The time sequence of a step-by-step approximation is shown in FIG. For the sake of clarity, only a 4-bit resolution is shown here, ie it is assumed that a digital-analogue finder with only 4 digital digits is also used. In the upper part of FIG. I is plotted over time / the output voltage Udm of such a digital-to-analog converter. At the same time, an analog signal U to be converted is entered as a straight line parallel to the time axis. In the lower part of FIG. I is also plotted over time, the output signal of a comparator, which results from the output signal of the digital-to-analog converter and the analog signal to be converted. It is assumed that the output signal of the comparator has the value 1. as long as the output signal of the digital-to-analog converter is smaller than the analog signal to be converted.

Die stufenweise Approximation beginnt zum Zeitpunkt /ι. Nacheinander werden die einzelnen Digitalstellen des Digital-Analog-Wandlers abgefragt. Zum Zeitpunkt h ist die Approximation beendet. Für dieses spezielle Beispiel ergibt sich die Binärzahl 1010. die der Deztmalzahl 10 entspricht.The step-by-step approximation begins at time / ι. The individual digital digits of the digital-to-analog converter are queried one after the other. The approximation ends at time h. For this special example, the binary number 1010 results, which corresponds to the decimal number 10.

In Fig. 2 sind wiederum über der Zeit, jedoch in einem anderen Zeitmaßstab, die Ergebnisse von 8 Wandlungen dargestellt, die in gleichmäßigen Intervallen r/R erfolgen. Dabei ist dem umzusetzenden Analogsignal eine monoton ansteigende Rampenfunktion mit einer Periodendauer 7"und einem Maximalwert von einem LSB des Digital-Analog-Wandlers überlagert. Die Intervalle 7V8 entsprechen dabei der Zeitdauer t2 — /ι einer vollständigen stufenweisen Approximation bzw. Wandlung, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist.In FIG. 2, the results of 8 conversions are again shown over time, but on a different time scale, which take place at regular intervals r / R. In this case, the reacted analog signal is superimposed on a monotonically increasing ramp function with a period 7 "and a maximum value of an LSB of the digital-to-analog converter Intervals 7 V 8 correspond to the time period t2 -. / Ι a complete gradual approximation or conversion, such as it is shown in Fig. 1.

Wie der F i g. 2 ferner zu entnehmen ist. ergeben sich bei den acht dargestellten Wandlungen im Binärsystem dreimal die Werte 1010 und fünfmal die Werte 1011. Im Dezimalsystem ergeben sich entsprechend dreimal die Werte 10 und fünfmal die Werte 11. Der arithmetische Mittelwert dieser acht Wandlungen ist im Dezimalsystem 10.625 und im Binärsystem 1010.101. Dabei wurde ebenfalls vorausgesetzt, daß die einzelnen Wandlungen mit einem Digital-Analog-Wandler mit vier digitalen Stellen durchgeführt wurden. Wie dem Ergebnis zu entnehmen ist ergibt sich dadurch im Vergleich zur Wandlung nach F i g. 1 eine Steigerung der Auflösung um drei Binärstellen.As the fig. 2 can also be found. result from the eight conversions shown in the binary system three times the values 1010 and five times the values 1011. In the decimal system there are three times the Values 10 and five times the values 11. The arithmetic The mean value of these eight conversions is 10.625 in the decimal system and 1010.101 in the binary system. It was also provided that the individual conversions with a digital-to-analog converter with four digital Bodies have been carried out. As can be seen from the result, this results in comparison to Conversion according to FIG. 1 an increase in resolution by three binary digits.

F i g. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Analog-Digital-Wandler mit einem Digitalwertbildner 1, der aus einem Taktgenerator 2, einer Steuerlogik 3 und einem digitalen Speicher 4 besteht. Vor jeder stufenweise Approximation setzt die Steuerlogik den digitalen Speicher 4 auf Null. Anschließend wird zunächst die höchstwertige Stelle des Speichers, also dn auf Eins gesetzt. Die anderen Digitalstellen sind weiterhin Null. Dieses Digitalsignal wird auf einen Digital-Analog-Wandler 5 gegeben, dem neben einer Referenzspannung LfRer eine Spannung Ur3^p entsprechend der Rampenfunktion zugeführt wird. Das analogen Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 5 wird auf den einen Eingang eines !Comparators 6 gegeber., dessen anderer Eingang mit dem Analogsignal Uc beaufschlagt ist. Ist das Analogsignal Uc größer als die analoge Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers 5, bleibt die höchstwertige Digitalstelle d„ des digitalen Speichers Eins; im anderen Fall wird d„ Null, Anschließend wird die nächste Digitalstelle gesetzt Und wieder der Vergleich mit dem Analogsignal Uc durchgeführt. Das wird fortgesetzt, bis die Digitalstelle di des digitalen Speichers 4 erreicht isl. Die erste Wandlung isl damit abgeschlossen. Über die SleüerlögikF i g. 3 shows an analog-digital converter according to the invention with a digital value generator 1, which consists of a clock generator 2, a control logic 3 and a digital memory 4. Before each step-by-step approximation, the control logic sets the digital memory 4 to zero. Then the most significant digit of the memory, i.e. d n , is first set to one. The other digits are still zero. This digital signal is sent to a digital-to-analog converter 5 to which, in addition to a reference voltage LfRer, a voltage Ur 3 ^ p corresponding to the ramp function is fed. The analog output signal of the digital-to-analog converter 5 is sent to one input of a comparator 6, the other input of which has the analog signal U c applied to it. If the analog signal U c is greater than the analog output voltage of the digital-to-analog converter 5, the most significant digital digit d ″ of the digital memory remains one; in the other case, d “is zero, then the next digital digit is set and the comparison with the analog signal U c is carried out again. This is continued until the digital position di of the digital memory 4 is reached. The first change is thus completed. About the Sleüerlögik

in wird der so ermittelte Digitalwert auf ein Addierglied 7 gegeben. Anschließend beginnt eine neue Wandlung.The digital value determined in this way is transferred to an adder 7 given. Then a new change begins.

Der digitale Speicher und der Digital-Analog-Wandler 5 sind beide für /j-Bit ausgelegt. Soll nun eine Mittelwertbildung über 2m Wandlungen vorgenommenThe digital memory and the digital-to-analog converter 5 are both designed for / j bits. A mean value is now to be calculated over 2 m conversions

ιϊ werden, so muß das Addierglied 7 für η + m Bit ausgelegt sein. Am Ende von 2m Wandlungen ergibt sich im Addierglied 7 ein Wert, der durch einfache Kommasetzung vor den letzten m Digitalstellen dem arithmetischen Mittelwert über diese 2m Wandlungenιϊ, the adder 7 must be designed for η + m bits. At the end of 2 m conversions, a value is obtained in adder 7 which, by simply placing a comma in front of the last m digital digits, becomes the arithmetic mean over these 2 m conversions

in entspricht. Dieser Wert wird über eine Anzeige 8 ausgegeben.in corresponds. This value is shown on a display 8 issued.

In diesem Beispiel ist die Zeitdauer der Rampenfunktion gleich dem 2mfachen der einzelnen Wandlungen. Der Maximalwert der Rampenfunktion entspricht der Größe des niedrigstwertigen Bits des Digital-Analog-Wandlers 5.In this example, the duration of the ramp function is equal to 2 m times the individual conversions. The maximum value of the ramp function corresponds to the size of the least significant bit of the digital-to-analog converter 5.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.4 sind der Digitalwertbildner, das Addierglied und die Anzeige Teile e'nes Mikroprozessors 10. Darüber hitiaus sind wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 ein Digital-Analog-Wandler 5 und ein Komparator 6 vorhanden. Die dem Digital-Analog-Wandler 5 zugeführte Rampenfunktion besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Treppenkurve, deren einzelne Stufen vor jeder Wandlung mit Hilfe des Mikroprozessors 10 und des Digital-Analogwandlers 5 selbst erzeugt werden. Dazu wird vor jeder Wandlung gesteuert durch den Mikroprozessor der Schalter S1 geschlossen. Gleichzeitig wird dem Digital-Analog-Wandler ein digitales Eingangssignal zugeführt, dessen entsprechendes Analogsignal ein Maß für die jeweilige Treppenstufe darstellt. Dieses Analogsignal wird für die nachfolgende Wandlung gespeichert. Im einfachsten Fall genügt dazu ein Kondensator CI; es kann jedoch auchIn the embodiment according to Figure 4 are the Digitizer, adder and display parts of a microprocessor 10. About this are how In the exemplary embodiment according to FIG. 3, a digital-to-analog converter 5 and a comparator 6 available. In this exemplary embodiment, the ramp function fed to the digital-to-analog converter 5 consists of a stepped curve and its individual steps generated before each conversion with the aid of the microprocessor 10 and the digital-to-analog converter 5 itself will. For this purpose, the switch S1 is closed, controlled by the microprocessor, before each conversion. At the same time, a digital input signal is fed to the digital-to-analog converter, the corresponding one Analog signal represents a measure for the respective stair step. This analog signal is used for the following Conversion saved. In the simplest case, a capacitor CI is sufficient for this; however, it can also

as ein sample and hold-Glied verwendet werden. Die Kondensatorspannung ist in diesem Ausführungsbeispiel an einen Spannungsteiler mit den Widerständen R 1 und R 2 angeschlossen. Von diesem Spannungsteiler wird die eigentliche Rampenspannung URamp abgegriffen. as a sample and hold element can be used. In this exemplary embodiment, the capacitor voltage is connected to a voltage divider with resistors R 1 and R 2. The actual ramp voltage UR amp is tapped from this voltage divider.

Die F i g. 5 zeigt einen Analog-Digital-Wandler entsprechend der Fig.4, diesmal jedoch für /r-Analogsignale Ue ι bis Uek- Wenn man bei diesem Ausführungsbeispiel davon ausgeht, daß der Digital-Analog-Wand- ler 5 ein 8-Bit Wandler ist, man aber eine Auflösung von etwa 12-Bit erreichen will, so ergibt sich der große Vorteil, daß man weiterhin mit seiner 8-Bit-Busankopp-Iung zwischen Mikroprozessor 10 und Digital-Analog-Wandler 5 auskommt Diese 8-Bit-BusankoppIung entspricht der üblichen Größe des Ausgangsports von Mikroprozessoren. Auch das im Mikroprozessor 10 ablaufende Approximationsprogramm braucht nur für 8-Bit ausgelegt zu sein. Damit ergibt sich bei gleicher Endauflösung abgesehen von den teilweise einfacheren und damit kostengünstigeren Schaltungselementen auch noch der Vorteil einer schnelleren Analog-Digital-Wandlung. Bei einem für die höhere Auflösung ausgelegten Digital-Analog-Wandler müßten die einzel-The F i g. 5 shows an analog-to-digital converter according to FIG. 4, but this time for / r-analog signals U e ι to U e k-. Bit converter, but you want to achieve a resolution of about 12-bit, there is the great advantage that you can still get by with its 8-bit bus coupling between microprocessor 10 and digital-to-analog converter 5. This 8-bit -Bus connection corresponds to the usual size of the output port of microprocessors. The approximation program running in the microprocessor 10 also only needs to be designed for 8 bits. With the same final resolution, apart from the partly simpler and thus more cost-effective circuit elements, there is also the advantage of faster analog-digital conversion. In a digital-to-analog converter designed for the higher resolution, the individual

ilen Digitalstellen über die 8-Bit Busankopplung des Ausgangsporls in zwei nacheinander folgenden Schritten angesteuert werden« Auch das Approximationsprogramm müßte für die höhere Anzahl von Digitalstellen ausgelegt sein.ilen digital digits via the 8-bit bus coupling of the Output porls are controlled in two successive steps «Also the approximation program would have to be designed for the higher number of digital digits.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (6)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Analog-Digital-Wandlung mit stufenweiser Approximation eines Digitalsignals an ein umzusetzendes Analogsignal, wobei dem einen Eingang eines !Comparators das Analogsignal und dem anderen Eingang des !Comparators das Ausgangssignal eines Digital-Analog-Wandlers zugeführt wird, der eingangsseitig mit dem Digitalsignal beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, in daß zum Analogsignal oder zum Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers (5) eine Rampenfunktion addiert wird, deren Maximalwert annähernd der Größe des niedrigstwertigen Bits des Digital-Analog-Wandlers (5) und deren Zeitdauer annähernd einem Vielfachen der Zeitdauer der stufenweisen Approximation entspricht, und daß während der Zeitdauer der Rampenfunktion der arithmetische Mittelwert mehrerer nach jeweils einer stufenweisen Approximation vorliegender Digitalsignale gebildet wirr*.1. Analog-to-digital conversion with gradual Approximation of a digital signal to an analog signal to be converted, one input one! Comparator the analog signal and the other input of the! Comparator the output signal a digital-to-analog converter is fed to the input side with the digital signal is acted upon, characterized in that the analog signal or the output signal of the digital-to-analog converter (5) has a ramp function is added, the maximum value of which is approximately the size of the least significant bit of the digital-to-analog converter (5) and its duration approximately a multiple of the duration of the gradual Approximation corresponds, and that during the period of the ramp function the arithmetic Average value of several digital signals present after a stepwise approximation in each case formed confused *. 2. Analog-Digital-Wandlung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Rampenfunktion eine Treppenkurve mit gleichgroßen Stufen darstellt und daß die Zeitdauer jeder Stufe gleich der Zeitdauer der stufenweisen Approximation ist.2. Analog-to-digital conversion according to claim i, characterized in that the ramp function represents a stepped curve with equal steps and that the duration of each stage is equal to the duration of the stepwise approximation. 3. Analog-Digital· Wandlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital-Analog-Wandler (5) vor Beginn jeder Approximation kurzzeitig so angesteuert wird, daß sein auf ein jo Speicherglied (Ci) (sample and hold) gegebenes Ausgangssigiujl gegebenenfalls nach einer Spannungsteilung dem jewe;!s benc*:.gten Stufenwert der Treppenkurve entspricht3. Analog-to-digital conversion according to claim 2, characterized in that the digital-to-analog converter (5) is activated briefly before the start of each approximation so that its output signal given to a memory element (Ci) (sample and hold), if necessary after a voltage division the respective ; ! s benc * : .gten step value corresponds to the step curve 4. Analog-Digital-Wandiung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer, über die der arithmetische Mittelwert gebildet wird, auf die Periodendauer einer dem Analogsignal überlagerten Störwechselspannung abgestimmt ist. 4η4. Analog-digital conversion according to one of the Claims 1 to 3, characterized in that the period of time over which the arithmetic mean is formed on the period of an interfering AC voltage superimposed on the analog signal is matched. 4η 5. Analog-Digital Wandler mit einem Digitalwertbildner, einem Komparator und einem Digital-Analog-Wandler zur Durchführung der Analog-Digital Wandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalwertbildner (1) und der Digital-Analog-Wandler (5) für n-Bit ausgelegt sind, wobei der Wandler (5) eine Linearität von π + m-Bit besitzt, und daß ein Addierglied (7) für η + m-Bit vorgesehen ist. dem die Signale des Digitalwertbildners (1) nach jeder von 2m stufenwei- w sen Approximation zugeführt werden.5. Analog-to-digital converter with a digitizer, a comparator and a digital-to-analog converter for performing the analog-to-digital conversion according to one of claims 1 to 4, characterized in that the digitizer (1) and the digital-to-analog converter (5) are designed for n-bits, the converter (5) having a linearity of π + m-bits, and that an adder (7) is provided for η + m-bits. to which the signals of the digital value generator (1) are fed after each approximation of 2 m in steps. 6. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Digitalwertbildner (1) und das Addierglied (7) Teile eines Mikroprozessor«. (10) sind. «6. Analog-to-digital converter according to claim 5, characterized in that the digital value generator (1) and the adder (7) parts of a microprocessor «. (10) are. «
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