DE2913615A1

DE2913615A1 - Signalwandler zur umwandlung eines eingangssignals in ein digitales zaehlsignal

Info

Publication number: DE2913615A1
Application number: DE19792913615
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Funabashi; Hideo Nakamura; Katsuaki Takagi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-04-07
Filing date: 1979-04-04
Publication date: 1979-10-11
Also published as: JPS54133058A; DE2913615C2; GB2021340B; GB2021340A; JPS581567B2; US4319226A

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf einen Signalwandler, welcher ein digitales Signal erzeugt, das der Impulsbreite eines Eingangssignals entspricht. Im einzelnen richtet sie sich auf einen Signalwandler, der zur Verwendung als Analog-Digitalx^andler geeignet ist.

Es ist ein Analog-Digitalwandler (im folgenden als AD-Wandler abgekürzt) bekannt, bei welchem eine analoge Eingangsspannung einen Kondensator auflädt, die gespeicherten Ladungen nachfolgend mit einem konstanten Strom entladen werden und durch einen Zähler die Anzahl der Taktimpulse gezählt wird, die in der Zeit zwischen dem Beginn der EntIadung und dem Absinken der Klemmenspannung des Kondensators auf einen bestimmten Schwellenwert erzeugt werden, auf welche Weise ein digitales Signal erzeugt wird, das der Amplitude der analogen Eingangsspannung entspricht. Bei einem solchen bekannten AD-Wandler ist es zur Erhöhung der Wandlungsgenauigkeit notwendig, entweder die Taktimpulse kürzer zu machen oder die Entladegeschwindigkext zu verringern. Was die erste Möglichkeit anbelangt, so ist es jedoch unmöglich, die Taktimpulse über ein bestimmtes Maß hinaus zu verkürzen. Die zweite Möglichkeit ist mit dem Problem behaftet, daß die Wandlungsgeschwindigkeit langsam wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Signalwandler zu schaffen, bei welchem ohne Verminderung der Wandlungsgeschwindigkeit die Wandlungsgenauxgkext erheblich erhöht ist.

Gemäß der Erfindung werden zur Lösung dieser Aufgabe im Falle der Lieferung eines Zählwerts, welcher einem Eingangssignal entspricht, das mit seinem Signalwert auf oder über einem bestimmten Wert während nur einer Zeitdauer zwi-

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sehen einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt liegt, erste und zweite Takte verwendet, welche einander gleiche Wiederholfolgezeiten und voneinander verschiedene Phasen haben, werden die ersten Takte durch eine Zähleinrichtung während eines Zeitintervalls zwischen dem ersten Zeitpunkt und einem Zeitpunkt, der später als der zweite Zeitpunkt und synchron mit dem ersten Takt ist, gezählt, wird ein Signal geliefert, welches davon abhängt, ob der zweite Takt innerhalb eines Zeitintervalls bis zum Zeitpunkt, der später als der zweite Zeitpunkt und synchron mit dem ersten Takt ist, vorliegt oder nicht, und wird die Wandlungsausgabe aus dem Zählresultat der ersten Takte durch die Zähleinrichtung und dem Ausgang .beim Vorliegen des zweiten Takts gewonnen.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines bekannten Signalswandlers, 20

Fig. 2 ein Signalformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Signalwandlers der Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Signalwandlers gemäß der Erfindung,

Fig. 4 ein Signalformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Signalwandlers der Fig. 3,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform eines Signalwandlers gemäß der Erfindung, und

Fi.g 6 ein Signalformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Signalwandlers der Fig. 5.

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Fig. 1 zeigt den herkömmlichen Aufbau eines AD-Wandlers des Zähltyps, während Fig. 2 die Arbeitssignalformen an verschiedenen Stellen des Wandlers der Fig. 1 wiedergibt.

Bei der Schaltungsanordnung der Fig. 1 wird eine analoge Eingangsspannung V. auf einen Eingangsanschluß 1 gegeben. Wenn ein durch einen MOS-Transistor gebildeter Schalter durch ein Ein-Signal an einem Steueranschluß 2, wie es bei (a) in Fig. 2 dargestellt ist, geschlossen wird, wird ein Kondensator 4, wie bei (b) in Fig. 2 dargestellt, auf eine Spannung aufgeladen, die gleich der Eingangsspannung V^_n ist. In diesem Zustand wird der Schalter 3 geöffnet, und ein Steueranschluß 5 erhält ein Start-Signal, wie es bei (c) in Fig. 2 dargestellt ist. Dann wird, wie bei (d) in Fig. 2 dargestellt, ein Flip-Flop 6 gesetzt, eine Konstantstromschaltung 7 wird durch das Ausgangssignal des Q-Anschlusses des Flip-Flop in Tätigkeit gesetzt und im Kondensator 4 gespeicherte Ladungen werden entladen. Dabei nimmt wegen der Wirkung der Konstantstromschaltung 7 die Klemmenspannung des Kondensators 4 mit festem Gradienten ab, wie dies bei (b) in Fig. 2 gezeigt ist. Wenn die Klemmenspannung des Kondensators 4 auf eine Schwellenspannung V^j₁ abgesunken ist, liefert ein Schwellenwertdetektor 8 ein logisches 1-Signal, wie es bei (e) in Fig. 2 gezeigt ist. Synchron mit dem 1-Signal eines Takts 0 eines Taktgenerators 9, wie es bei (f) in Fig. 2 gezeigt ist, wird ein UND-Glied 10 freigeschaltet und das Flip-Flop 6 zurückgesetzt. Dementsprechend entspricht der Setzzeitraum T des Flip-Flop 6 der Eingangsspannung V^_n.

Unter Verwendung des Setzsignals des Flip-Flop 6 als Übertrageingangssignal eines Zählers 11 wird die Anzahl der vom Taktgenerator 9 gelieferten Taktimpulse 0 während des Setzzeitraums T durch den Zähler 11 gezählt. Das Zählresultat erhält man an einem Ausgangsanschluß 12 als di-

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gitales Signal. Dieses digitale Ausgangssignal entspricht daher der analogen Eingangs spannung Vj__n.

Bei einem, solchen AD-Wandler wird bei hoher Entladegeschwindigkeit und Detektorgenauigkeit die Wandlungsgenauigkeit durch das Auflösungsvermögen des Zählers bestimmt. Bei dem oben beschriebenen bekannten AD-Wandler hat der Zähler ein Auflösungsvermögen von 1 Taktzeit. Zur Erhöhung der Wandlungsgenauigkeit muß daher die Taktdauer verkürzt werden. Dies ist jedoch nicht unbeschränkt möglich. Wenn man andererseits in Erwägung zieht, die Entladegeschwindigkeit zu vermindern, wird die Wandlungsgeschwindigkeit niedrig.

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Signalwandler am Beispiel eines AD-Wandlers.

In Fig. 3 entsprechen die Bezugszeichen 1 bis 12 denjenigen in Fig. 1. 13 bezeichnet ein UND-Glied, 14 ein Flip-Flop und 15 einen Ausgangsanschluß. Wie später noch beschrieben, werden zwei Taktsignale durch den Taktgenerator 9 erzeugt .

Bei dem Schwellenwertdetektor 8 kann es sich im wesentlichen um einen Inverter handeln, wobei dieser zur Erhöhung der Verstärkung mehrstufig aufgebaut ist. Der Schwellenwertdetektor 8 kann durch einen herkömmlichen Komparator ersetzt sein.

· Als Konstantstromschaltung 7 kann eine Schaltung verwendet werden, bei welcher eine herkömmliche Konstantstromquelle und ein Schaltelement, das durch die Ausgangssignale des Flip-Flop 6 ein- und ausgeschaltet werden kann, in Serie geschaltet sind.

Fig. 4 ist ein Signalformdiagramm zur Eläuterung der Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 3. 0-| und 02 geben die Taktimpulse an, die durch den Takijenerator 9 erzeugt werden, (a) und (b) stellen Signalformen in zwei Zuständen dar. In der Abbildung gibt CT die Klemmenspannung

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des Kondensators 4, FF- das Ausgangssignal des Flip-Flop und FF₂ das Ausgangssignal des Flip-Flop 14 an.

Die sich aus den Fign. 3 und 4 ergebende Ausführungsform der Erfindung ist durch die Verwendung der Taktimpulse 0- und 0₂/ welche durch den Taktgenerator 9 erzeugt werden und, wie in Fig. 4 dargestellt, einander gleiche Wiederholfolgezeiten und gegeneinander um im wesentlichen 180° versetzte Phasen haben, und das Vorsehen des UND-Glieds

13, welches an seinen Eingängen des Ausgangssignal des Flip-Flop 6, das Ausgangssignal des Schwellenwertdetektors 8 und das Taktsignal 0₂ erhält, sowie des Flip-Flop

14, welches durch das vom Steueranschluß 5 herkommende Start-Signal rückgesetzt und durch das Ausgangssignal des UND-Glieds 13 gesetzt wird, gekennzeichnet, wobei die Ausgangssignale des Zählers 11 und des Flip-Flop 14 als die Zählausgangs- bzw. digitalen Ausgangssignale verwendet werden.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Ausführungsform der Fig. 3 unter Bezugnahme auf die Fig. 4 im einzelnen beschrieben.

Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist die gleiche wie bei der bekannten Schaltung der Fig. 1, insoweit als der Kondensator 4 über den Schalter 3 durch die analoge Eingangsspannung am Eingangsanschluß 1 aufgeladen wird und das Flip-Flop 6 durch das Start-Signal am Eingangsanschluß 5 gesetzt wird, um das Entladen der im Kondensator 4 gespeicherten Ladungen mittels der Konstantstromschaltung 7 zu beginnen. In der Schaltung der Fig. 3 wird das Flip-Flop 14 durch das Start-Signal rückgesetzt.

Sobald die Klemmenspannung des Kondensators 4 auf die Schwellenspannung V^j₁ abgesunken ist, wird das Ausgangssignal des Detektors "1". Abhängig von den Zuständen

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der Takte 0., und 02 zu dieser Zeit wird der bei (a) oder der bei (b) in Fig. 4 dargestellte Status errichtet.

Genauer ausgedrückt, veranschaulicht (a) in Fig. 4 einen Fall, wo die Klemmenspannung des Kondensators 4 die Schwellenspannung V^j₁ in einen Zeitintervall T-| zwischen dem Abfall des Taktimpulses 02 und dem Abfall des Taktimpulses 0-, erreicht hat. In diesem Fall wird das Flip-Flop 6 durch den Taktimpuls 0-» zurückgesetzt, wenn die Klemmenspannung den Schwellenwert erreicht hat, wie aus der bei

(a) der Fig. 4 gezeigten Signalform FF-j ersichtlich ist. Das Setzen des Flip-Flop 14 ist inhibiert und sein Ausgang behält den Rücksetzzustand bei, wie aus der bei (a) der Fig. 4 gezeigten Signalform FF2 ersichtlich ist. Andererseits veranschaulicht (b) in Fig. 4 den Fall, wo die Schwellenspannung V_t^ in einem Zeitintervall zwischen dem Abfall des Taktimpulses 0-] und dem Abfall des Taktimpulses 02 erreicht worden ist. In diesem Fall wird das Flip-Flop 14 durch den Takt 02 zuerst gesetzt, wie dies aus der bei (b) in Fig. 4 gezeigten Signalform FF2 ersichtlich ist, und nachfolgend das Flip-Flop 6 durch den Takt 0-] rückgesetzt, wie dies aus der Signalform FF-| ersichtlich ist.

Die so erhaltenen Ausgaben des Flip-Flop 14 und des Zählers 11 werden an den Ausgangsanschlüssen 15 und 12 als die erste Stelle (niedrigswertiges Bit) bzw. als die zweite und höhere Stelle geliefert. Auf diese Weise erhält man unter der Annahme das der Zählwert des Zählers 11 η ist, eine Digitalausgabe von 2·η im Falle von (a) in Fig. 4 und eine Digitalausgabe von (2-n + 1) im Falle von (b) in Fig. 4. Infolgedessen hat die Ausgabe des Zählers 11 und des Flip-Flop 14 ein Auflösungsvermögen von 1/2 Taktzeit, was 1/2 der Minimalauflösung bei der bekannten Schaltung ist.

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Die Takte 0-j und 02 können irgendwelche Irapulszüge sein, sofern sie solche Impulsbreiten haben, daß sie einander nicht überlappen. Die Phasenverschiebung zwischen den Takten 0.. und 02 muß nicht exakt 180° betragen. Wenn die Phasenver-Schiebung von 180° abweicht,ist die Wandlungsgenauigkeit etwas geringer als bei einer Phasenverschiebung von 180°, jedoch höher als bei dem bekannten Signalwandler.

Die Lade- und Entladeschaltung beschränkt sich nicht auf das dargestellte Beispiel, sondern kann beliebig aufgebaut sein. Ferner kann ein Integrator verwendet werden, der keinerlei Lade- und Entladeschaltung verwendet. Es kann grundsätzlich jede Vorrichtung verwendet werden, die dafür eingerichtet ist, eine Eingangsspannung in eine entsprechende Zeit umzuwandeln.

Die Ausführungsform der Fig. 3 wurde so beschrieben, daß das Flip-Flop 14 durch das Start-Signal rückgesetzt wird, es kann jedoch ein beliebiges Signal, welches vor Erreichen der Schwellenspannung erzeugt wird, verwendet werden. Das Signal zum Betätigen der Konstantstromschaltung 7 muß nicht das Ausgangssignal des Flip-Flop 6 sein, sondern kann irgendein Signal sein, welches von der Zeit des Starts bis wenigstens zum Erreichen der Schwellenspannung anhält. Ferner können die Flip-Flops 6 und 14 durch irgendwelche Vorrichtungen ersetzt sein, welche ein Signal eines bestimmten Werts auf das erste Eingangssignal hin und ein Signal eines anderen Werts auf das zweite Eingangssignal hin liefern. Darüber hinaus können irgendwelche Vorrichtungen anstelle der UND-Glieder 10 und 13 verwendet werden, sofern sie ein Signal eines bestimmten Werts bei Vorhandensein einer Anzahl von Eingangssignalen liefern.

Fig. 5 zeigt den Aufbau einer weiteren Ausführungsform des Signalwandlers gemäß der Erfindung und gibt ein

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Beispiel eines Wandlers zur Erzeugung eines Signals, das der Impulsbreite eines Eingangssignals entspricht.

In der Figur bezeichnet 16 eine Differenzierschaltung, 17 einen Inverter, 18 einen Eingangsanschluß für einen Eingangsimpuls mit willkürlicher Impulsbreite. Die anderen Bezugszeichen entsprechen denjenigen in Fig. 3.

Fig. 6 ist ein Signalformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung der Fig. 5. 0·} und 0₂ geben die Taktsignale für den Taktgenerator 9 an. (a) und (b) stellen Signalformen jeweils in verschiedenen Zuständen dar. In der Darstellung bezeichnet IN ein Eingangssignal am Eingangsanschluß 18, ΐϊϊ ein Ausgangssignal des Inverters 17, FFj ein Ausgangssignal des Flip-Flop 6 und FF2 ein Ausgangssignal des Flip-Flop 14.

Wenn bei der Schaltung der Fig. 5 ein Impulssignal mit willkürlicher Impulsbreite am Eingangsanschluß 18 erhalten wird, liefert die Differnzierschaltung 16 einen Differentialimpuls beim Anstieg des Eingangsimpulssignals wobei dieser das Flip-Flop 6 setzt und das Flip-Flop 14 rücksetzt. Andererseits wird das zum Eingangsimpuls invertierte Signal am Inverter 17 geliefert und den UND-Gliedern 10 und 13 zugeführt.

Wenn der Abfall des Eingangsimpulses IN im Zeitintervall T₁ zwischen dem Abfall des Takts 0₂ und dem' Abfall des Takts 0-j, wie bei (a) in Fig. 6 dargestellt, liegt, wird das Flip-Flop 6 zurückgesetzt, während , wie schon weiter oben ausgeführt, das Setzen des Flip-Flop 14 inhibiert ist. Wenn der Abfall des Eingangsimpulses IN im Zeitintervall T₂ zwischen dem Abfall des Takts 0-| und dem Abfall des Takts 0₂, wie bei (b) in Fig. 6 dargestellt, liegt, wird zuerst das Flip-Flop 14 gesetzt und das Flip-Flop 6 nachfolgend rückgesetzt.

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Dementsprechend kann die Ausgabe an den Ausgangsanschlüssen 12 und 15, wie.schon bei der davor beschriebenen Ausführungsform, eine nennenswert erhöhte Wandlungsgenauigkeit aufweisen.

Bei den Schaltungsanordnungen der Fign. 3 und 5 ist ebenso ein Aufbau möglich, bei welchem die Takte in den Zähler 11 für eine bestimmte Zeit gegeben werden und die Anzahl der Takte gezählt wird.

Wie oben ausgeführt, werden gemäß der Erfindung zwei Arten von Takten verwendet, wodurch sich mit einem sehr einfachen Aufbau die Wandlungsgenauigkeit nennenswert erhöhen läßt, ohne daß gleichzeitig die Wandlungsgeschwindigkeit gesenkt wird.

Zusammengefaßt schafft die Erfindung also einen AD-Wandler, welcher eine Generatorschaltung zur Erzeugung von ersten und zweiten Taktenmit einander gleichen Wiederholfolgezeiten und gegeneinander um 180° versetzten Phasen erzeugt, eine Umwandlungsschaltung, welche ein Zeitsignal mit einer der Amplitude eines analogen Eingangssignals entsprechenden Zeitbreite bildet, einen ersten Flip-Flop,welcher durch den Anstieg des Zeitsignals gesetzt und durch den ersten Takt nach dem Abfall des Zeitsignals rückgesetzt wird, einen Zähler, welcher die ersten Takte während des Setzzeitraums des ersten Flip-Flop zählt,und ein zweites Flip-Flop, welches gesetzt wird, wenn der zweite Takt in dem Setzzeitraum des ersten Flip-Flop nach dem Abfall des Zeitsignals erzeugt wird, umfaßt, v/obei die Ausgangssignale des Zählers und des zweiten Flip-Flop als gewandeltes Signal verwendet werden.

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1. Signalwandler, gekennzeichnet durch eine Generatoreinrichtung (9) zur Erzeugung von ersten und zweiten Takten {$.., 0 „]I ,. welche einander gleiche Wiederholfolgezeiten und von einander verschiedene Phasen haben, eine Eingangseinrichtung für das

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Erhalten eines Signals als das zu wandelnde Signal, welches während einer willkürlichen Zeitdauer nicht unter einem festen Wert liegende Signalwerte hat, eine Zähleinrichtung (11) für ein Zählen der ersten Takte der Generatoreinrichtung während einer Zeitdauer, die der Signalzeitdauer entspricht, und eine Ausgangpeinrichtung zur Lieferung eines von zwei Signalen abhängig davon, in welchem von durch den ersten und den zweiten Takt bestimmten Zeitintervalle!das Ende der Signalzeitdauer liegt, wobei Signale der Zähleinrichtung und der Ausgangseinrichtung als gewandeltes Signal verwendet werden.

2. Signalwandler, gekennzeichnet durch eine Generatoreinrichtung (9) zur Erzeugung von ersten und zweiten Takten (0_1# 0~), welche einander gleiche Wiederholfolgezeiten und von einander verschiedene Phasen haben, eine Eingangseinrichtung für das Erhalten eines Signals, welches während einer Zeitdauer zwischen einer ersten Zeit und einer zweiten Zeit nicht unter einem bestimmten Wert liegende Signalwerte hat, eine erste Schaltungseinrichtung, welche auf Signale der Generatoreinrichtung und der Eingangseinrichtung anspricht und ein bestimmtes Signal von der ersten.Zeit bis zu einer nach der zweiten Zeit liegenden Zeit und synchron

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mit dem ersten Takt liefert, eine Zähleinrichtung (11), welche auf die Generatoreinrichtung und die erste Schaltungseinrichtung anspricht und eine Anzahl der ersten Takte während der Zeit, während der das bestimmte Signal geliefert wird, zählt,und eine zweite Schaltungseinrichtung, welche auf die Generatoreinrichtung, die Eingangseinrichtung und die erste Schaltungseinrichtung anspricht und ein bestimmtes Signal synchron mit dem zweiten Takt innerhalb der Zeitdauer, während das erstgenannte bestimmte Signal geliefert wird, nach der zweiten Zeit liefert, wobei Ausgangssignale der Zähleinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung als gewandeltes Signal verwendet werden.

3. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung eine Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Eingangssignals in ein Zeitsignal mit einer der Amplitude des Eingangssignals entsprechenden zeitlichen Breite umfaßt.

4. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltungseinrichtung aus einer ersten Verknüpfungsgliedeinrichtung (10) zur Erzeugung eines Ausgangssignals synchron mit dem ersten Takt nach der zweiten Zeit und einer

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ersten Flip-Flop-Einrichtung (6), welche zur ersten Zeit gesetzt und durch das Ausgangssignal der ersten Verknüpfungsgliedeinrichtung rückgesetzt wird, besteht, und daß die zweite Schaltungseinrichtung aus einer zweiten Verknüpfungsgliedeinrichtung (13) zur Erzeugung eines Ausgangssignals synchron mit dem zweiten Takt innerhalb des Setzzeitraums der ersten Flip-Flop-Einrichtung nach der zweiten Zeit und einer zweiten Flip-Flop-Einrichtung (14), welche durch das Ausgangssignal der zweiten Verknüpfungsgliedeinrichtung gesetzt und zu der ersten Zeit rückgesetzt wird, besteht.

5. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Takte (0.., 0_) gegeneinander Phasendifferenzen von im wesentlichen 180° haben.

6. Signalwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangseinrichtung eine Einrichtung zur Umwandlung eines analogen Signals in ein Zeitsignal mit einer der Amplitude des Eingangssignals entsprechenden zeitlichen Breite umfaßt.

7. Signalwandler nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichnet, daß die ümwandlungseinrichtung

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aus einem Kondensator (4), welcher durch das analoge Eingangssignal zu einer bestimmten Zeit aufgeladen wird, einer Konstantstromquelle (7), welche die im Kondensator gespeicherten Ladungen nach der ersten Zeit entlädt, und einer Detektoreinrichtung (8) für den Nachweis der zweiten Zeit, zu der die Klemmenspannung des Kondensators auf einen bestimmten Schwellenwert abgesunken ist, besteht.

8. Signalwandler nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die ersten und zweiten Takte (0-, 0-) gegeneinander eine Phasendifferenz von im wesentlichen 180° haben.

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