DE2920934A1 - Binaerer analog-digital-umsetzer - Google Patents

Description

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18.5-1979 β PHF 78530

"Binärer Analog/Digitalumsetzer",

Die Erfindung bezieht sich auf einen binären Analog/Digitalumsetzer, d.h. einen Umsetzer, der beliebige
analoge Grossen in digitale Signale umsetzen kann, die in einem Binärcode dargestellt sind.

Weitaus die meisten der physikalischen Grossen oder der Parameter, denen zur Zeit Aufmerksamkeit gewidmet
wird, weisen in der Regel eine analoge Form auf. Die Handhabung und die Verarbeitung analoger Informationen sind
aber schwierig und können leicht zu Fehlern, Drifterscheinungen oder Verzerrungen führen. Andererseits sind die diese Informationen darstellenden Signale im allgemeinen mit Rauschsignalen behaftet, deren Beseitigung sich als sehr
schwierig erweisen kann. Vorzugsweise werden also diese
Informationen in digitaler Form verwendet, weil die Verarbeitung digitaler Signale keine Fehler oder Drifterscheinungen mit sich bringt und für Rauschsignale und Verzerrungen weniger empfindlich ist/

Es sind grundsätzlich zwei Typen von Umsetzern bekannt, mit deren Hilfe die Umsetzung analoger Grossen in

digitale Signale sichergestellt werden kann: die Reihenumsetzer oder Umsetzer mit fortlaufenden Annäherungen, die einen Bitkomparator (oder, wenn die Umsetzungsgeschwindigkeit nicht die Anfangsgeschwindigkeit ist, einen einzigen Komparator, dessen Anzeige jewäls gespeichert wird) benutzen und in denen das digitale Signal erst nach einer

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sen Anzahl von Taktimpulsreihen, die der Anzahl von Bits proportional ist₉ verfügbar ist, (tatsächlich muss gewartet werden, bis ein Komparator sich völlig eingestellt hat, bevor zu dem nächstfolgenden übergegangen werden kann), g sowie die 'Parallelumsetzer, die eine Anzahl von Komparatoren benutzen, die gleich gross wie die Anzahl von Quantisierungspegeln ist (d.h. 2 Komparatoren in einem Umsetzer mit η Bits) und die als Synchronumsetzer bezeichnet werden (statt erst nach einer bestimmten Anzahl von Takt— ^O impulsreihen vorhanden zu sein, folgt das digitale Signal sehr dicht der umzusetzenden analogen Grosse, selbstverständlich bis zu einer bestimmten Grenztequenz). Der Analog/Digitalumsetzer, der den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung bildet, gehört zu dieser zweiten Klasse von Synchronumsetzern.

In einer zunehmenden Anzahl industrieller Anwendungsgebiete und insbesondere bei Fernsehgeräten, Kraftwagen oder anderen sehr verschiedenen Gegenständen, bei denen die Elektronik angewandt wird,-wird es notwendig, über Analog/Digitalumsetzer zu verfügen, die schnell wirken, wenig Energie verbrauchen, integrierbar und preiswert sind. Die zu langsam wirkenden Reihenumsetzer können nicht für derartige Zwecke benutzt werden; die Parallelumsetzer, die in bezug auf die Geschwindigkeit befriedigend wirken, weisen den Nachteil auf, dass sie eine Grosse Anzahl von Einzelteilen erfordern, was zu einer grossen Komplexität und zu Schwierigkeiten infolge der ziemlich kostspieligen Herstellung führt.

Die Erfindung hat daher die Aufgabe, einen Umsetzer zu schaffen, der die obenerwähnten günstigen Eigenschaften

in bezug auf die Geschwindigkeit, den Verbrauch und die Ein- - fachheit aufweist.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem binären Analog/Digitalumsetzer dadurch gelöst, dass - die in ein binäres digitales Signal umzusetzende analoge Grosse in dem Umsetzer durch einen Strom dargestellt wird, der zwischen dem Mindeststrom und dem Höchststrora

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liegt, die umgesetzt werden können|

— des? Umsetzer nacheinander eine Eingangs stufe, Umsetzungsstufen, deren Anzahl gleich der Anzahl vom η Bits des digitale» Signals ist, das erhalten werden soll, und eine Ausgangsstufe enthält, wobei jede dieser (n+2) Stufen vom Rang O, 1, 2,. .,i. . ·, n-1, υ, m+1 selber zwei besondere TJebertr^mgswege enthalt, -von denen einer als Vergleichsweg und der andere als leferenzweg bezeichnet wird, wobei die TTergleichswege der i(m*2) Stufen alle in Reihe geschaltet, die Referenzwege «dieser (n+2) Stufen ebenfalls alle in Reihe geschaltet und Ubergangsschaltungen einerseits zwischen dem ITergleichsweg Jeder Umsetzungsstufe und dem der nächstfolgenden Stufe und andererseits zwischen dem Referenzweg Jeder Umsetzungs— stufe und dem der nächstfolgenden Stufe angeordnet sind;

— in der Eingangsstufe der Vergleichsweg dazu bestimmt ist, auf den Vergleichsweg der nächstfolgenden Stufe einen sogenannten Eingangsstrom zu übertragen, und der Referenzweg dazu bestimmt ist, auf den Referenzweg der nächsfej- -folgenden Stufe einen, sogenannten Referenzstrom zu übertragen, der gleich einem Bruchteil des Hochststromes ist, wobei der Unterschied zwischen dem Eingangs strom und dem Referenzstrom einen Strom bildet, der die in ein binäres digitales Signal umzusetzende analoge 'Grosse darstellt?

— in Jeder der η Umsetzungsstufen vom Rang 1j 2, 3ι«··ι i„,,, n—1, n, der Yergleichsweg der Stufe nrom Rang i dazu bestimmt ist, auf den Yergleichsweg der nächstfolgenden Stufe einen Vergleichsstrom zu übertragen, der mindestens durch den Eingangsstrom gebildet wird, und der Refexenzwg dieser Stufe Vom Rang i dazu bestimmt ist,

auf den Referenzweg der mächstfolgeaaden Stufe einem Referemzstrom zn übertragen, der gleich, einem Bruchteil des HBcIlststromes ist;

— Jede der η Umsetzungsstufen ¥<om Rang 1, Z₃ 3»--s i,..., n-1, μ. einen Komparator enthält, <der gemäss eimern oder dem anderen der zwei möglichem Ergebnisse eämes Vergleiches, der zwischen dem zwei auf dein Wergleichsweg

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bzw. den Referenzweg der Umsetzungsstufe vom Rang i durch die der vorhergehenden Stufe übertragenen Ströme vorgenommen wird, dazvi bestimmt ist, den logischen Pegel des zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Bits auf einem oder im anderen Falle auf dem anderen - der zwei Werte festzulegen, die dieses Bit annehmen kann, und mit den zwei in der Umsetzungsstufe vom Rang i verglichenen Strömen und mit einem Hilfsstrom, der gleich einem Bruchteil des Höchststromes ist und in diese Stufe vom Rang i mit Hilfe einer entsprechenden Hilfsstromquelle eingeführt

wird, eine derartige Stromumschaltung auf die Vergleichsund Referenzwege der nächstfolgenden Stufe zu bewirken, dass, wenn und lediglich wenn ein Bit verbleibt, dessen logischer Pegel noch nicht festgelegt ist, der Komparator der nächstfolgenden Stufe, der zu diesem Bit mit ' noch nicht festgelegtem Pegel gehört, dann den Eingangsstrom mit der Summe - oder im anderen Falle mit dem Unterschied - des Referenzstroms, der in die Umsetzungsstufe vom Rang i über den Referenzweg der vorhergehenden Stufe eingeführt wird, und des in diese Stufe vom Rang i mittels der entsprechenden Hilfsstromquelle eingeführten Hilfsstrom vergleicht, wobei diese Summe und dieser Unterschied in allen Fällen beide zwischen dem Mindeststrom und dem Höchststrom liegen, die umgesetzt werden können, während jeder Vergleich zwischen zwei Strömen mit Hilfe eines Vergleichs zwischen zwei ihnen proportionalen Spannungen erhalten wird und die vom Komparator gesteuerte Stromumschaltung dazu bestimmt ist, sogar wenn kein Bit verbleibt, dessen logischer Pegel noch nicht festgelegt ist, die Ströme in den Vergleichs- und Referenzwegen zu entzerren; und

- in der Endstufe die Vergleichs- und Referenzwege dazu eingerichtet sind, die respektiven Ströme zu empfangen, die über die Vergleichs- und Referenzwege der letzten Umsetzungsstufe vom Rang n+1 übertragen werden.

In jeder der aufeinanderfolgenden Umsetzungsstufen dieses Umsetzers bestehen also zwei mögliche Stromwege, die

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den zwei Lagen des !Comparators dieser Stufe entsprechen, und zwar für η aufeinanderfolgende Stufen η aufeinanderfolgende Umschaltungen, die zu 2 Korabinationen von Lagen der η Komparatoren dieser Stufen führen. Den 2 so definier«- ten Stromwegen entsprechen 2 mögliche Quantxsierungspegel, die es somit ermöglichen, die gewünschte Analog/Digitalumsetzung mit einer mit dem Wert von η zunehmenden Genauigkeit durchzuführen. Die Stromumschaltungen werden derart durchgeführt, dass die Gleichheit der beiden Ströme angestrebt wird, die zwei Wege gleicher Struktur über eine Anzahl von Stufen durchlaufen, die nur gleich der Anzahl von Bits des zu erhaltenen digitalen Signals ist.

Der all diese Eigenschaften aufweisende Umsetzer ist schnell und wirkt synchron, weil er parallel betrieben wird und jeder Vergleich in einer Umsetzungsstufe vor der vollständigen Einstellung der vorhergehenden Stufe und vor der Stabilisierung des neuen logischen Pegels des Bits, zu dem dieser vorhergehende Komparator gehört, vorgenommen werden kann (also ohne Beeinflussung durch ein Taktsignal, das eine Mindestzeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden Umsetzungen definiert). Uebrigens erhält dieser Umsetzer durch -das angewandte Prinzip der Stromumschaltung, durch die beschränkte Anzahl der Stufen und die Symmetrie ihrer Struktur und durch das Fehlen einer Abtastung am Eingang eine grosse Einfachheit und sehr günstige Einfachheit gestattet eine besonders gute Integration und die Symmetrie der Struktur sichert einen ausgezeichneten automatischen Ausgleich als Funktion der Temperatur.

Bei einer ersten Ausführungsform ist der Umsetzer nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator jeder Umsetzungsstufe vom Rang i gemäss einem oder dem anderen der zwei möglichen Ergebnisse des Vergleiches zwischen dem auf den Referenzweg dieser Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Referenz-

"" strom und dem auf den Vergleichsweg derselben Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Strom dazu bestimmt ist, den logischen Pegel des zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Bits auf einem oder im anderen

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Falle auf dem anderen der zwei Werte, die dieser Pegel annehmen kann, festzulegen und den ebenfalls zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Strom auf den Vergleichsweg oder im anderen Falle auf den Referenzweg der nächstfolgenden Stufe umzuschalten.

Bei einer zweiten Ausführungsform ist der Umsetzer nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator jeder Umsetzungsstufe vom Rang i gemäss einem oder dem anderen der zwei möglichen Ergebnisse des Vergleiches zwischen dem auf den Referenzweg dieser Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Referenzstrom und dem auf den Vergleichsweg derselben Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Strom dazu bestimmt ist, den logischen Pegel des zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Bits auf einem oder im anderen Falle auf dem anderen der beiden Werte, die dieser Pegel annehmen kann, festzulegen und einerseits diesen Referenzstrom auf den Referenzweg der nächstfolgenden Stufe und andererseits die Summe dieses auf den Vergleichsweg dieser Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Stroms und des ebenfalls zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Stromes auf den Vergleichsweg der nächstfolgenden Stufe oder im anderen Falle einerseits den auf den Vergleichsweg dieser Stufe vom Rang i durch den Vergleichsweg der vorhergehenden Stufe übertragenen Strom auf den Referenzweg der nächstfolgenden Stufe und andererseits die Summe dieses Referenzstroms und dieses Hilfsstroms auf den Vergleichsweg der nächstfolgenden Stufe umzuschalten.

.Derartige Stromumschaltungen ermöglichen es, am Ausgang des Umsetzers ein digitales Signal zu erhalten, das bei der ersten Ausführungsform in einem natürlichen Binärcode oder bei der zweiten Ausführungsform in einem reflektierten Binärcode (meistens als "Gray"-Code bezeichnet) dargestellt ist. Das zu der ersten Umsetzungsstufe gehöri^a ge Bit gibt das Vorzeichen des Unterschiedes zwischen den Eingangs- und Referenz-strömen an, die in die Eingangsstufe des Umsetzers eingeführt werden. Die zu den anderen Um-

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setzungsstufen gehörigen Bits dienen dazu, das Ergebnis der Analog/Digitalumsetzung dieses Unterschiedes darzustellen. Die im natürlichen Binärcode dargestellten digitalen Signale lassen sich direkt von Rechnern verarbeiten, aber weisen den Nachteil auf, dass mehrere Bits gleichzeitig ihren logischen Pegel ändern können, was zu einem grossen Fehler führen kann, wenn einer der diesen Bits entsprechenden Komparatoren, und insbesondere der dem Bit mit dem höchsten Gewicht entsprechende Komparator, sich noch nicht eingestellt hat. Im umgekehrten Falle ander für ein"digitales Signal, das im reflektierten Binärcode dargestellt ist, ein einziges Bit seinen logischen Pegel, wenn die analoge Eingangsgrösse des Umsetzers sich um einen Quantisierungsschritt ändert; ein derartiges digitales Signal kann aber nicht direkt von den heutigen Rednern verarbeitet werden. Der Vorteil ergibt sich also, dass für die Ausführung des Umsetzers eine oder die andere Art von Stromumschaltung gewählt werden kann.

Wenn das digitale Ausgangssignal des Umsetzers nicht im gewünschten Code dargestellt ist, ist es möglich, in diesen Umsetzer eine Schaltung zur Aenderung des Codes aufzunehmen, die dazu bestimmt ist, ein im reflektierten Binärcode dargestelltes Signal in ein im natürlichen Binärcode dargestelltes Signal umzusetzen, oder umgekehrt.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Umsetzer eine Balancierschaltung enthalten, mit deren Hilfe über den Referenzweg der Eingangsstufe ein derartiger Referenzstrom geschieht werden kann, dass die Summe dieses Stromes und des Eingangsstroms konstant ist. Durch diese Massnahme, durch die komplementäre Ströme wirksam werden, werden eine Herabsetzung der gesamten Zeit der Einstellung des Umsetzers und eine Verdopplung der Empfindlichkeit der Komparatoren erhalten. Bei einer weiteren Ausführungsform des Umsetzers nach der Erfindung ist der Referenzstrom des Referenzweges der Eingangsstufe konstant. In diesem Falle sichert der Umsetzer immer die Analog/Digitalumsetzung mit Anzeige des

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Vorzeichens des Unterschiedes zwischen dem Eingangsstrom und dem Referenzstrom, die in die Eingangsstufe eingeführt werden. Weil jedoch dieser Referenzstrom konstant ist, lässt sich auch sagen, dass der Umsetzer die Analog/Digitalumsetzung des Eingangsstroms sicherstellt, da dieser Strom und sein Unterschied mit dem konstanten Referenzstrom eine einfache und deutliche gegenseitige Beziehung aufweisen. Das Ergebnis dieser Umsetzung hängt nur von den zum Festlegen der Quantisierungspegel der umzusetzenden analogen Grosse erforderlichen Werten, d.h. von den für den Referenzstrom der Eingangsstufe und für die Hilfsströme der Umsetzungsstufen gewählten Werten ab.

Ein Umsetzer nach den vorhergehenden Ausführungsformen kann eine Schaltung zum Synchronisieren der Bits des digitalen Ausgangssignals enthalten, die dazu bestimmt ist, jedes Bit dieses Signals gesondert zu verzögern, damit diese Bits alle zugleich ausgelesen werden können, wenn der logische Pegel jedes dieser Bits festgelegt ist. Bei einer sehr günstigen Ausführungsform ist der Umsetzer nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass er eine Speicherschaltung zur Speicherung während der ganzen Dauer der Umsetzung des Stromes, der die in ein digitales Signal umzusetzende analoge Grosse darstellt, und eine Steuerschaltung enthält, mit deren Hilfe die Eingangs- und Referenzströme der Eingangsstufe unterdrückt und die Komparatoren direkt in der Lage verriegelt werden können, die sie einnehmen; dass dieser Strom, der die umzusetzende analoge Grosse darstellt, dadurch erhalten wird, dass eine dieser Grosse proportionale Spannung an die Klemmen eines Widerstandes mit einem bestimmten ohmschen Wert angelegt wird, und dass die Vergleichs- und Referenzwege der Endstufe des Umsetzers je einen Widerstand enthalten, dessen ohmscher Wert gleich dem Zweifachen des ohmschen Wertes des Widerstandes ist, an dessen Klemmen die der umzusetzenden analogen Grosse proportionale Spannung angelegt wird.

Einerseits ermöglichen diese Eigenschaften es, einen zweiten Umsetzer dem ersten nachzuordnen, damit die Ana— log/Digitalumsetzung des Bruchteiles der nicht-umgesetzten

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analogen Grosse in dem ersten Umsetzer (d.h. des restlichen Bruchteiles, der der Quantisierung nicht unterworfen worden, ist) sichergestellt wird; eine derartige Schaltungsanordnung kann aber nur erhalten W3rden, wenn die Elemente, durch die sie gebildet wird, die Präzisionsbedingungen erfüllen, die diese Kaskade von Umsetzern erfordert. Andererseits ermöglichen diese Eigenschaften es, die umgekehrte Digital/Analogumsetzung dadurch zu erhalten, dass die Komparatoren in ihrer Lage verriegelt und die Eingangs-und Referenzströme der Eingangsstufe unterdrückt werden.

Bei einer interessanten Ausführungsform des Umsetzers nach der Erfindung ist der Umsetzer vom modularen Typ, der einen ersten Umsetzer der obenbeschriebenen Art und mindestens einen zweiten mit dem ersten identischen Umsetz— er enthält, dessen Vergleichsweg in der Eingangsstufe dsu bestimmt ist, von demselben Strom wie der Vergleichsweg der Eingangsstufe des ersten Umsetzers durchlaufen zu werden, und dessen Referenzweg in der Eingangsstufe dazu bestimmt ist, von einem Referenzstrom durchlaufen zu werden, der gleich der Summe des maximalen von dem ersten Umsetzer umzusetzenden Stromes und des den Referenzweg der Eingangs— stufe dieses ersten Umsetzers durchlaufenden Referenzstromes ist. Eine derartige Schaltungsanordnung gestattet eine Vergrösserung"der.Anzahl von Bits des digitalen Ausgangssignals.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein sehr vereinfachtes Schaltbild des Umsetzers nach der Erfindung sowie das Prinzip der Ueberlagerung der unterschiedlichen Stufen;

Figuren 2, 3 und h Ausführungsformen der Eingangsstufe, der ersten Umsetzungsstufe (die Umsetzungsstufen sind alle einander ähnlich) bzw. der Endstufe des Umsetzers gemäss einer bipolaren Technologie bei einer Umsetzung, die ein digitales Signal ergibt, das im natürlichen Binärcode dargestellt ist; .

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4t

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Fig. 5 im Detail eine vollständige Anordnung

eines Umsetzers, in dem die Stufen nach den Figuren 2 bis k verwendet werden;

Fig. 6 eine T_abelle, in der die Ausgangssignale

der Umsetzungsstufen für den Umsetzer der Fig. 5 wieder-5

gruppiert sind (Ausgangssignale im natürlichen Binärcode dargestellt);

Fig. 7 eine Ausführungsform der Umsetzungsstufen für eine Umsetzung, die ein digitales Signal ergibt, das im reflektierten Binärcode dargestellt ist;

Fig. 8 eine Tabelle, in der die Ausgangssignale der Umsetzungsstufen für einen Umsetzer mit der Umsetzungsstufe nach Fig. 7 angegeben sind (Ausgangssignale im reflektierten Binärcode dargestellt);

. Fig. 9 eine Schaltung·zur Abänderung des

reflektierten Binärcodes in den natürlichen Binärcode;

Fig. 10 eine Balancierschaltung, mit deren

Hilfe in der Eingangsstufe komplementäre Ströme erhalten werden können, und

„„ Figuren 11 und 12 ein Beispiel eines modularen

Umsetzers mit (n+1) Bits bzw. ein Schaltbild zur Erläuterung der Wirkungsweise dieses modularen Umsetzers.

Ein binärer Analog/Digitalumsetzer nach der Erfindung xiird nachstehend im Detail beschrieben, wobei an

__ erster Stelle auf die Figuren 1 bis 6 verwiesen wird. Der ist

Deutlichkeit und der Einfachheit der Beschreibund und der beiliegenden Figuren halber beschränkt man sich hier auf den Fall, in dem das vom Umsetzer gelieferte digitale Signal vier binäre Informationselemente (oder Bits) enthält.

Dieser Umsetzer enthält also nacheinander eine Eingangsstufe E , vier Umsetzungsstufen E bis Et und eine Endstufe E„, d.h. sechs Stufen für einen Umsetzer mit vier Bits (ein Umsetzer mit η Bits wäre aus einem Gebilde von n+2 aufeinanderfolgenden Stufen aufgebaut). Jede dieser sechs Stufen vom Rang 0, 1, 2, 3» ^ und 5 enthält selber zwei besondere Ubertragungswege, die als Vergleichsweg und als Referenzweg bezeichnet werden. Die.Stufe E enthält einen Vergleichsweg C und einen Referenzweg F , die Stufe

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JA

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E₁ einen Vergleichsweg C₁ und einen Referenzweg F , usw... und die Stufe E_ einen Vergleichsweg C_ und einen Referenzweg F„.

In der Eingangsstufe E (Fig. 2) enthält der Vergleichsweg C eine Stromquelle S zur übertragung eines

ü O C

Eingangsstroms Ic auf den Vergleichsweg C der nächstfolgenden Stufe (Umsetzungsstufe E₁), während der Referenzweg F eine Stromquelle S„ zur Übertragung eines Referenzstroms If auf den Referenzweg F₁ der Stufe E enthält.

In der ersten Umsetzungsstufe E (Fig. 3) enthalten der Vergleichsweg C₁ und dex- Referenzweg F mit völlig symmetrischer Struktur nacheinander einen Widerstand (Rc₁ bzw. Rf₁) und eine Übergangsschaltung, die durch einen Transistor gebildet wird (Tc₁ bzw. Tf₁). Die ¥iderstände Rc und Rf weisen denselben ohmschen Yert auf und die . Transistoren Tc₁ und Tf sind derart gewählt, dass sie dieselben Eigenschaften besitzen. Dex- Emitter jedes Transistors ist mit einer der Klemmen jedes Widerstandes und sein KoI-

2Q lektor ist mit dem Ausgang des Ubertragungsweges verbunden, in dem dieser Transistor angeordnet ist, und seine Basis ist dazu bestimmt, mit einer Referenzspannungserzeugungsschaltung verbunden zu werden (im beschriebenen Beispiel sind die Basen von Tc₁ und Tf dazu bestimmt, mit derselben

2g Erzeugungsschaltung verbunden zu werden). Die beiden anderen Klemmen der Widerstände Rc₁ und Rf₁ (die nicht mit den Emittern der Transistoren Tc und Tf verbunden sind) sind

% ι ι

mit den beiden respektiven Eingängen eines Komparators 1 verbunden.

2Q Zu diesen Komparator 1 gehört eine Ausgangsklemme B , an der eines der vier Bits vorhanden ist, die das digitale Signal des Umsetzers bilden; nachstehend wird der Einfachheithalber der zusammenfassende Ausdruck "Bit B₁" angewandt, um die Ausgangsklemme B₁ und den an dieser Klemme vorhandenen logischen Pegel (niedriger Pegel "0" für eine der Lagen des Komparators und hoher Pegel "1" für die andere Lage) zu bezeichnen. Zu diesem Komparator 1 gehört auch ein Umschalter K mit zwei Lagen. Eine der Klemmen dieses Umschalters Κ_η ±_st mit dem Ausgang des Vergleichs-

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weges C₁ verbunden, während die andere Klemme mit dem Ausgang des Referenzweges F₁ verbunden ist, wobei die gemeinsame Klemme ihrerseits mit einer Hilfsstromquelle S₁ verbunden ist Die Lage des Umschalters K wird unmittelbar von der des Kom-

r. parators 1 gesteuert und die Lage des Komparators 1 hängt . ihrerseits von dem Vorzeichen des Potentialunterschiedes zwischen den zwei Eingängen dieses Komparators ab.

Die zweite, die dritte und die vierte Umsetzurgs stufe E_?, E„ bzw. E. sind völlig identisch mit der Stufe E ,

_1D deren Struktur eben beschrieben wurde, und die in der Stufe E vorhandenen Elemente sind auch in den Stufen E_, E und El vorhanden, wobei der Index 1 durch den betreffenden Index 2, 3 oder k ersetzt wird. Diese Stufen werden somit nicht wieder beschreiben.

In der Endstufe E (Fig. k) enthält der Vergleichsweg C„ einen Widerstand Rc_, während der Referenzweg

■ F₁, einen Widerstand Rf_ enthält. Die Widerstände Rc_ und Rf_ 5 5 5 5

weisen denselben ohmschen Wert auf.

Diese Stufen E bis E sind in Fig. 5 wieder-

2Q gruppiert, die den vollständigen Umsetzer zeigt. Die Vergleichswege der sechs Stufen sind, gleich wie die betreffenden ReferenKwege, in Reihe geschaltet. Die Klemmen der Eingangsstufe E , die nicht mit der Stufe E₁ verbunden sind (die unteren Klemmen in Fig. 2),sind mit der negativen Klemmen der Speisequelle des Umsetzers verbunden. In jeder Umsetzungsstufe E bis El ist die Klemme der Quelle S , S , S oder Sl, die nicht mit dem Umschalter K , K , K„ oder K. verbunden ist, auch mit der negativen Klemme der Speisequelle verbunden. Die den zwei Basen der Transistoren jeder Umsetzungsstufe gemeinsame Klemme ist mit einer bestimmten (für jede Umsetzungs stufe verschiedenen) Klemme der Referenzspannungserzeugungsschaltung 10 verbunden, die durch eine Diodenbrücke und eine Stromquelle gebildet wird, die zwischen der positiven und dar negativen Klemme der Speisequelle in Reihe angeordnet sind.

Die Klemmen der Endstufe E , die nicht mit der letzten Umsetzungsstufe Ε· verbunden, sind (die oberen Klemmen in Fig.^ sind mit der positiven Klemme der Speisequelle verbunden.

Die Wirkung des Umsetzers, dessen Struktur eben im Detail beschrieben wurde, wird nun insbesondere an Hand

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der Figuren 5 und 6 beschrieben. Es sei vor der De taube Schreibung dieser Wirkung bemerkt, dass die in der Eingangsstufe des Umsetzers vorhandenen Signale Ströme sind und dass die in ein digitales Binärsignal umzusetzende analoge Grosse also im Umsetzer durch einen Strom dargestellt ist. Dieser Strom

liegt selbstverständlich zwischen dem Mindeststrom I . und ^D . mm

dem Höchststrom I , die umgesetzt werden können, wenn ver—

max' ^& '

langt wird, dass die Analog/Digitalumserzung richtig verläuft. Wenn dies nicht der Fall ist, wird angenommen, dass dies dadurch erreicht werden kann, dass vor dem Umsetzer eine Schwächungsvorrichtung angeordnet wird, die keinen Gegenstand der Erfindung bildet und die nicht dargestellt 1st.

Es sei angenommen, dass Ic und If die zwei Ströme sind, die die Vergleichs- und Referenzwege C und F der Eingangsstufe E durchlaufen und die über die Vergleichsund Referenzwege C bzw. F der nächstfolgenden Stufe E ge-• schickt werden (die erste Umsetzungsstufe). Es wird angenommen, dass Ix₁, Ix«, Ix„ und Ix^ die Hilfsströme sind, die von den HilfsStromquellen S , S_p, S bzw. Sr geliefert werden. Im

„„hier gewählten Beispiel ist Ix₁=I /2, Ix₀=I /4,Ix₀=I /8 ^& * 1 max' ' 2 max' ' 3 max

und Ix. =1/16.
4 max'

Da die Stufen des Umsetzers genau symmetrisch

sind (Gleichheit der ohmschen Werte der Widerstände R und R„ derselben Stufe; gleiche Eigenschaften für die Transistoren „ T und T derselben Stufe und insbesondere Gleichheit der Spannungen VBE dieser Transistoren), folgt daraus, dass die Potentialunterschiede an den Klemmen der Komparatoren 1 bis k, d.h. Vc₁-Vf₁, Vc₂-Vf₂, Vc-Vf bzw. Vc^-Vf^, sich ausgleichen, wenn die beiden Ströme, die in die entsprechende Umsetzungs—

„_ stufe eindringen, gleich sind. Der Komparator 1 vergleicht also Ic und If , wenn er die Spannungen Vc₁ und Vf vergleicht. Wenn Ic kleiner als If ist, bleibt der logische Pegel des Bits B₁ niedrig (annahmeweise Pegel "0") und der Umschalter K₁ nimmt seine niedrige Lage ein (wie in Fig. 3 und 5 durch volle Linien angedeutet ist); Umgekehrt wird,wenn Ic grosser als If ist, der logische Pegel des Bits B₁ hoch (annahmeweise Pegel "1"), wobei der Umschalter K₁ (zugleich

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mit dem Komparator 1) in die durch gestrichelte Linien Figuren 3 und 5 angedeutete Lage umklappt under der

Hilfsstrom Ix₁ =1 /z nicht mehr den Vergleichsweg j max

C₁ der Umsetzungsstufe E₁ durchläuft und über den Referenzweg dieser Stufe geschieht wird.

Demzufolge wird, wenn B₁ =0 ist, der Komparator

2 der U setzungsstufe E₀ (ic +1 /2) und If oder, m ^ö 2 ^v ο max ' ο '

was äquivalent ist, (if - Ic ) und I /2 vergleichen:

O O nicLX

Wenn (ic +1 /2) kleiner als If oder, was äquivalent ^v ο max' ' ο ' ^

ist, wenn (lc -If ) kleiner als I /2 ist, bleibt der logische Pegel des Bits B₀ iedrig (Pegel "0") und nimmt der Umschalter K₀ seine niedrige Lage ein (die auf gleiche ¥eise wie für den Umschalter K₁ definiert ist), während umgekerht, wenn (ic + I /z) grosser als If ist, oder, was äquivalent ist, wenn (ic - If )

grosser als I /2 ist, der logische Pegel des Bits B₀ max /c

hoch wird (Pegel "1"), der Umschalter K₀ (zugleich mit dem Komparator 2) in seine hohe Lage umklappt und der Hilfsstrom Ix₀ = I Zh nicht mehr den Vergleichsweg

C nilX

C₀ der Umsetzungsstufe E durchläuft und über den Referenz weg Fp dieser Stufe geschieht wird. Wenn dagegen B = 1 ist, wird der Komparator 2 der Umsetzungsstufe E₀

Ic und (if + I /2) oder, was äquivalent ist, (if -Ic ) ο ^v ο max' ' * ' ^v ο ο'

und I /2 vergleichen: Wenn Ic kleiner ist als (if + I /2) ist, oder, was äquivalent ist, wenn ^v ο max⁷ '****■ »

(ic - If ) kleiner als I /z ist, bleibt der logische ^y ο ο' max' '

Pegel des Bits B₀ niedrig (Pegel "0") und nimmt der Umschalter K₀ seine niedrige Lage ein, während umgekehrt wenn Ic grosser als (if +1 /z) ist, oder, was äqui-

O O TOcLX.

valent ist, wenn (ic - If ) grosser als I /Z ist,

ο ο max

der logische Pegel des Bits hoch wird (Pegel "1) der Umschalter K₀ (zugleich mit dem Komparator Z) in seine hohe Lage umklappt under Hilfsstrom Ix₀ = I /h

et max

nicht mehr den Vergleichsweg C₀ der Umsetzungsstufe E₀ durchläuft und über den Referenzweg F₀ dieser Stufe geschieht wird.

Wenn B₁ = 0 und B₀ = 0 ist; wird der Komparator

3 der Umsetzungsstufe E₀ also (ic +1 /2 4-1 /2 + ⁶ 3 ο max' max'

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I /4) und If oder, was äquivalent ist, (if -Ic ) max' ' ο ' ^- ' ^v ο ο'

und (l /2+1 /4) vergleichen, Wenn B₁ = 0 und B₀ max max ι d.

= 1 ist, wird der Komparator 3 (ic + I /2) und

^v ο max '

(if + I /4) oder, was äquivalent ist, (if -Ic ) und ο max - - ο ο'

(l /2-1 /4) vergleichen. Wenn B₁ = 1 und B₀ = ^v max' max' ' ^& 1 2

ist, wird der Komparator 3 (ic + I /4) und (if + I /z) oder, was äquivalent ist, (ic - If ) ^N ο max' ' ' ^- ' - ο ο'

und (i /2 - I /4) vergleichen. Wenn schliesslich ^N max; max' ' ^&

B₁ = 1 und B₀ = 1 ist, wird der Kmparator 3 Ic und l d ο

(if +1 /2+1 /4) oder, was äquivalent ist, ^v ο max' max' .

(lc - If ) und (l /2 + I /4) vergleichen. ^v ο ο' ^v max' max' ' ^&

Aus Obenstehendem geht hervor dass der logische Pegel von B₁ "O" oder "1" ist, je nach dem Vorzeichen von Ic-If , und dass der logische Pegel von B₀ "0" oder "1" ist, je nachdem (ic - If ) in absolutem Sinne

^v ο ö

kleiner oder grosser als I /2 ist. Das Bit B₁ der Umsetzungsstufe E₁ ist also dazu bestimmt, das Vorzeichen des Unterschiedes (ic - If ) anzugeben, wobei, ungeachtet dieses Vorzeichens, das Bit B₀ der Umsetzungsstufe E₀ das Ergebnis des Vergleichs zwischen (lc -If ) oder gegebenenfalls (if -Ic ) und dem Strom I /2

ο ο nictx

angibt. Wenn dieser Unterschied kleiner als I /2 ist,

max

gibt das Bit B₀ der Umsetzungsstufe E_ das Ergebnis des Vergleichs zwischen demselben Unterschied un (lmax/2 - I /4) = I /4 an. Wenn dagegen dieser Unterschied max' ' max' & &

grosser als I /2 ist, gibt das Bit B₀ das Ergebnis max *c

des Vergleichs zwischen demselben Unterschied und (l /2

+ I /4) = 31 /4 an.
max ' max'

Das Verhalten der vierten und letzten Umsetzungsstufe Er gegenüber der Stufe E₀ ist gleich dem der Stufe E₀ gegenüber der Stufe E₀. Ungeachtet der zwei möglichen Wege, über die die Umschaltung in jeder der Umsetzungsstufe E. auch zwei Möglichkeiten zur Umschaltung je nach dem relativen Wert der zwei Ströme, die von dem Vergleichsweg C und dem Referenzweg P₀ der vorhergehenden Stufe über ihren Vergleichsweg Gi und

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ihren Referenzweg P. geschieht werden. Je nachdem einer dieser zwei Ströme kleiner oder grosser als der andere ist, klappt der Komparator k um oder nicht; Je nach der Lage des !Comparators k ist der logische Pegel des Bits B. gleich "O" oder "1" und klappt der Umschalter K^ um oder nicht (zugleich mit dem Komparator 4), was, wie für die Ströme Ix₁, Ix_? und Ix_, die Umschaltung des Hilfsstroms Ixj, bewirkt, der von d er Hilfsstromquelle S. geliefert wird.

Die unterschiedlichen logischen Pegel, die die Bits B₁ bis Bk als Funktion des Vorzeichens des Unterschiedes (ic - If ) und seines Wertes annehmen können können in einer in Fig. 6 dargestellten Tabelle wiedergruppiert werden. Beim Ablesen dieser Tabelle geht sofort

hervor, dass das aus dem Signal B₁, B , B_, Br gebildete digitale Signal das Ergebnis der Analog/Digitalumsetzung von (lc -If ) im natürlichen Binärcode ist, wobei B₁ das Vorzeichen dieses Unterschiedes angibt und die Bits B₀ bis B, seinen digitalen Wert mit der ^ 4

gewählten Quantisierung angeben.

Bei der eben im Detail beschriebenen Wirkung des Umsetzers nach der Erfindung wird also ein "Differential "-Prinzip angewandt, weil die tatsächlich von dem Umsetzer in ein digitales Signal umgesetzte analoge

Grosse nur der Unterschied zwischen den zwei analogen Grossen (hier zwei Strömen) ist, die in die Eingangsstufe dieses Umsetzers eingeführt sind, wobei dieser Unterschied im vorliegenden Beispiel nach Umsetzung in Form eines digitalen Signals mit drei Bits plus einem

Vorzeichenbit dargestellt ist.

Die Beschreibung der Struktur und der Wirkung des Umsetzers bleibt unverändert, wenn ein Umsetzer mit η Bits betrachtet wird. Das gelieferte digitale

Signal ist das Ergebnis der Analog/Digitalumsetzung 35

des Unterschiedes zwischen den zwei analogen Grossen (hier zwei Strömen), die in die Eingangsstufe eingeführt sind, wobei dieser Unterschied in Form eines

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digitalen Signals mit (n-i) Bits plus einem Bit B₁ zum Anzeigen des Vorzeichens dieses Unterschiedes dargestellt ist.

Die wesentlichen Vorteile des Umsetzers nach

g der Erfindung sind deutlich aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich und werden nachstehend zusammengefasst .

Dieser Umsetzer ist schnell. Tatsächlich kann, sobald die Lage desKomparators 1 durch Vergleich des Eingangsstroms Ic und des Referenzstroms If , die die Eingangsstufe E durch laufen, festgelegt ist, der Komparator 2 der Umsetzungsstufe E wirksam werden. Ähnliches trifft für die folgenden Stufen zu. Durch die Parallelwirkung der vier aufeinander folgenden Umsetzungsstufen ist es nicht notwendig, dass der Komparator einer Stufe erst wirksam werden kann, wenn sich die Komparatoren der vorhergehenden Stufen vollständig eingestellt haben. Die Komparatoren 1 bis h werden möglichst schnell nacheinander wirksam. Bei Versuchen wurde eine Umsetzungszeit von weniger als 30 Nanosekunden für einen Umsetzer mit vier Bits gemäss einer bestimmten bipolaren Technogie gemessen.

Dieser Umsetzer weist eine einfache Struktur und eine einfache Yirkung auf. Die Einfachheit dieser Struktur (Symmetrie sämtlicher Stufen) und dieser Wirkung (aufeinanderfolgende Umschaltungen in zwei Lagen, wodurch die zwei Ströme, die von Stufe zu Stufe fortschreiten, gleichgemacht werden) und die beschränkte Anzahl der Umsetzungsstufen (weil dieser Synchronumsetzer nur einen einzigen Komparator pro Bit benutzt, im Gegensatz zu bekannten Ausführungen, bei denen zur Erzielung einer schnellen Umsetzung Z Komparatoren verwendet werden, um ein digitales Signal mit η Bits zu Liefern) führen zu einer besonders wirtschaftlichen Ausführung und Herstellung. Dieser Vorteil ist wesentlich für die obengenannten Anwendungen (Fernsehgeräte, Kraftwagen, usw.).

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Schliesslich haben Versuche ergeben, dass der Verbrauch dieses Umsetzers niedrig bleibt. Z.B. liegt die von einem Umsetzer mit 6 Bits verbrauchte Energie in der Grössenordnung von I50 ra¥.

Bei der Aufsführungsform nach den Figuren 7 und 8 enthalten die Umsetzungsstufen E^ bis Er Umschalter K₁ bis K₁-J die dazu bestimmt sind, eine andere wechselweise Stromumschaltung als die mit den Schaltern K₁ bis K. erhaltene Umschaltung zu gestatten.

Fig. 7 zeigt die Umsetzungsstufe E₁, die mit diesem Umschalter K₁₁ versehen ist; abgesehen von diesem Umschalter, sind die Elemente gleich den in der ersten Ausführungsform vorhandenen. Elementen und werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Die Wirkung des so abgeänderten Umsetzers ist wie folgt. ¥ie oben, ist der logische Pegel des Bits G₁ niedrig oder hoch ("O" oder "1"), je nachdem

Ic kleiner oder grosser als If ist. Wenn G₁ = O ο öl

ist, befindet sich der Umschalter K₁₁ der Umsetzungsstufe E₁ in der in Fig. 7 durch volle Linien angedeuteten Lage; der Hilfsstrom Ix₁, der von der Quelle S₁ geliefert wird, wird in den Weg eingeführt, durch den der niedrigste Strom fliesst. Wenn dagegen G₁ = ist, klappt der Umschalter K₁ (zugleich mit dem Koraparator 1) in die durch gestrichelte Linien in Fig. dargestellte Lage um, was der Situation äquivalent

ist, in der die Ströme Ic und If und somit die ' ο ο

Vergleichs- und Referenzwege umgeschaltet werden (lediglich vom Zeitpunt an, zu dem der Umschalter K₁ von Ic und If betätigt wird); der Hilfsstrom Ix₁ wird hier wieder in den Weg eingeführt, durch den der niedrigste Strom fliesst.

Demzufolge wird, wenn G₁ = 0 ist, der Komparator 2 der Umsetzungsstufe E₀ (ic + I /2), der auf den Vergleichsweg C„ der Stufe E_? übertragen wird, und If , der auf den Referenzweg F_ der Stufe E„ übertragen wird, vergleichen. Wenn G-' = 1 ist, wird der Komparator 2 Ic , der auf den Referenzweg der Stufe

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IT-

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E₀ übertragen wird, und (if +1 /2), der auf den <£ ο max

Vergleichsweg der Stufe E_ übertragen wird, vergleichen. Das Umklappen von G₁ vom logischen Pegel "O" zu dem logischen Pegel "1" und die dadurch erhaltene Stromumschaltung durch das gleichzeitige Umklappen des Umschalters K₁₁ erfolgen zu dem Zeitpunkt, zu dem diese Ströme gleich sind. Zu ndemselben Zeitpunt und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Hilfsströme Ix₁ bis Ix. automatisch von derselben Seite des Umsetzers (in der Darstellung nach Fig. 7 von den linken Yegen) her eingeführt werden, ist es unmöglich, dass die Ströme für einen anderen Komparator als den Komparator 1 gleich sein können, weil die Hilfsströme alle einem einzigen der gleichen Ströme, die an den Eingängen des Komparators 1 vorhanden sind, hinzugefügt werden. Bei noch nicht eingestelltem Komparator 1 (infolge der Tatsache, dass Ic" = If ist), ist es also gewiss, dass kein anderer Komparator uneingestellt sein kann, weil keine vo.n ihnen zu dem Zeitpunkt umklappen kann, zu dem der Komparator 1 umklappt. Aus denselben Gründen sind zu dem Zeitpunkt, zu dem der Komparator 2 umklappt, die an seinen Eingängen vorhandenen Ströme gleich und können die an den Eingängen vorhandenen Ströme gleich und können die an den Eingängen der Komparatoren 3 und h vorhandenen Ströme nicht gleich sein. Ähnliches gilt für den Komparator k, der nicht zu dem Zeitpunkt umklappen kann, zu dem der Komparator 3 umklappt. Zusammenfassend kann ein einziger Komparator uneingestellt sein, während die Lage der drei anderen Komparatoren zu demselben Zeitpunkt ohne Zweideutigkeit bestimmt ist.

Daraus lässt sich der Charakter des reflektierten Codes (des sogenannten Gray-Codes) erkennen; die logischen Pegel von G₁ bis G. sind in diesem Code dargestellt und in der Tabelle der Fig. 8 angegeben (vgl. die Tabelle der Fig. 6 mit dem natürlichen Binärcode). Vie oben, gibt G₁ das Vorzeichen des Unterschiedes

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(lc -If ) an und geben G„ bis G. den Digitalwert dieses Unterschiedes an, wobei die gewählte Quantisierung berücksichtigt wird.

Bei der ersten Stromumschaltungsart ist das digitale Ausgangssignal des Umsetzers im natürlichen Binärcode dargestellt und lässt sich direkt in einem Rechner verarbeiten, aber es können in der Kette Undefinierte Einstellungen auftreten (insbesondere wenn Ic und If einander gleich oder sehr nahe sind). Es ist also möglich, die zweite Stromumschaltungsart anzuwenden und in den Umsetzer eine Schaltung zur Änderung des Codes aufzunehmen, die dazu bestimmt ist, das digitale Signal GGGG., das im reflektierten Binärcode dargestellt ist, in ein im natürlichen Binärcode darge-

stelltes digitales Signal umzusetzen. Eine derartige Schaltung ist in Fig. 9 gezeigt.

Wenn umgekehrt der Umsetzer derart eingerichtet ist, dass er ein im natürlichen Binärcode dargestelltes digitales Signal liefert, und dass aus irgend-

welchen Gründen dieses Signal im reflektierten Binärcode zur Verfügung stehen soll, kann, wie oben, eine Schaltung zur Änderung des Codes vorgesehen werden, die dazu bestimmt ist, diese Umsetzung sicherzustellen.

Es seien hier zwei grosse Vorteile eines 25

Umsetzers erwähnt, der ein digitales Ausgangssignal im

reflektierten Binärcode liefert: Einerseits ist die Änderungsfrequenz des logischen Pegels des Bits mit dem niedrigsten Gewicht zweimal niedriger als bei dem natürlichen Binärcode, was beim vergleichsweisen Ablesen der 30

Tabellen der Figuren 6 und 8 deutlich hervorgeht, und zweimal grosser als der Grenzwert der Betriefsfrequenz des Umsetzers, während andererseits die umzus"ehaltenden Ströme in jeder Umsetzungsstufe auf ihrem Wege durch

die Stufen allmählich höher werden, wodurch ihre Umschal-35

tung umso schneller vor sich geht, je weiter sie zu der Endstufe fortschreiten.

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Bei einer Weiterbildung kann der Umsetzer eine Balancierschaltung enthalten, mit deren Hilfe über den Referenzweg F der Eingangsstufe E ein Strom geschieht werden kann, der zu dem Strom komplementär ist, der über den Vergleichsweg C dieser Stufe geschieht wird. Durch diese Massnahme wird die Einstellungszeit des Umsetzers herabgesetzt und wird die Empfindlichkeit der Komparatoren verdoppelt. Ein Beispiel der Balancierschaltung zeigt Fig. 10, in der VE eine Spannung ist, die der in ein digitales Binärsignal umzusetzenden analogen Grosse proportional ist, während Ic und If die über die Wege C bzw. F der Eingangsstufe E des Umsetzers geschichten Ströme bezeichnen. Da If und Ic komplementär sind, kann der Ausdruck geschrieben werden: Ic + Kf = k (k = Konstante)

ο ο ^v '

If = k - Ic

O O

(ic - If ) = Ic - (k-Ic ) ^v o. o' 0 ^v o'

(ic - If ) = 2.1c - k 0)

^v ο ο' ο ^v '

oder aber:

_T (lc -If )+k

Ic = ^v ο ο '

⁰ "Ζ

was bedeutet, dass die vom Umsetzer umgesetzte analoge Grosse (lc -If ) und der Strom Ic direkt eine gegen-

Oo O 00

seitige funktioneile Beziehung aufweisen, die sowohl durch den Ausdruck (i) als auch durch den Ausdruck (2) dargestellt werden kann. Der Umsetzer benutzt also wieder das Differentialprinzip, aber er ist nun derart eingerichtet, dass er nur eine einzige analoge Grosse empfängt. Bei einer anderen AusfUhrungsform ist der Referenzstrom des Referenzweges F der Eingangsstufe E konstant. Dieser konstante Wert If = Ix ist z.B.

O O₀

gleich I /2 und die Ströme Ix₁ bis Ix. nehmen dann Werte gleich I /h, I /8, I /16 bzw. I /32 an.

⁰ max ' max' ' max' max'

In diesem Falle ist, wenn Ic kleiner als Ix = I /2

ο ο max'

ist. B„ =0, während wenn Ic grosser als Ix = I /2

1 ' ο ⁶ ο max'

ist, B₁ = 1 ist.Wenn B.. = 0 ist, vergleicht der Kompar_a-

(2)

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tor 2 Ic und (l /2+1 /W) = 31 /k. Ähnliches ο ^v max max ' max

gilt für den Komparator 3 und auch für den Komparator

k, die Ströme verschiedener Werte, je nach den logischen

Pegeln der Bits der vor-

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s/i

18.5.1979 " ay PHF 78530

hergehenden TJmsetzungsstufen, vergleichen werden" Bei der' hier beschriebenen Ausftihrungsform ist der Umsetzer dazu bestimmt, die Umsetzung des Stromes Ic (der die umzusetzende analoge Grosse darstellt) in ein digitales Binärsigg nal mit vier Bits (hier ohne Vorzeichenbit) sicherzustellen, wobei der für die Umsetzung durchzuführende Quantisierungsschritt gleich I /16 ist (während er nur gleich I /8

max ^N max

war bei einem Differentialumsetzer infolge des Vorhandenseins eines Vorzeichenbits unter einer gesamten Anzahl

\q identischer Bits). Wie oben, ist dat digitale Ausgangssignal des Umsetzers im natürlichen Binärdode oder im reflektierten Binärcode dargestellt, je nach der in den Umsetzungsstuffen angewandten Art der Stromumschaltung.

Bei allen eben beschrieben Ausführungsformen sind die logischen Pegel, die die Bits annehmen, auf verschiedenen Zeitpunkten festgelegt, wobei das Bit B₁ (oder G₁) das erste, das BitB„(oder G₀) das zweite, das Bit B, (oder G„)

<~ <Z- j j

und das Bit Bl (oder Gr) mit den geringsten Gewicht das letzte ist. Bei den meisten Zwecken, für die der Umsetzer nach der Erfindung angewandt werden kann, ist eine gleichzeitige Auslesung oder Verarbeitung der vier Bits (oder in allgemeinem Sinne der η Bits) erforderlich. Der Umsetzer enthält dann eine Schaltung zum Synchronisieren der Bits des digitalen Ausgangssignals. Diese Schaltung dient zur Verzögerung jedes der vier Bits um eine Zeit t.., t , t_ bzw. t.. Bei den Anwendungen, bei denen das Ergebnis der Umsetzung möglichst schnell bekannt sein oder vex"arbeitet werden muss, wird tr = O gewählt, d.h., dass die Auslesung (oder die Verarbeitung) der Bits. B₁ bis B_ (G₁ bis G„) in bezug auf die des Bits mit dem geringsten Gewicht, das zuletzt bekannt ist, d.h. in bezug auf die von Bj, (für einen Umsetzer mit η Bits auf die von B ) orientiert ist.

Bei einer günstigen Ausführungsform weist der Umsetzet nach der Erfindung die folgenden Eigenschaften auf: (a) er enthält eine Speicherschaltung (z.B. eine Abtast- und Halteschaltung, die am Eingang des Umsetzers angeordnet ist), die dazu bestimmt ist, während der ganzen Dauer der Umsetzung den Strom zu speichern, der die in ein digitales

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Signal umzusetzende analoge Grosse darstellt;

(b) auch enthält er eine Steuerschaltung (oder Taktschaltung), die dazu bestimmt ist, die Unterdrückung der Eingangs- und Referenzströme der Eingangsstufe und die sofortige Verriegelung der Komparatoren in der von ihnen zu einem bestimmten Zeitpunkt eingenommenen Lage zu ermöglichen;

(c) der die umzusetzende analoge Grosse darstellende Strom wird dadurch erhalten, dass eine dieser Grosse proportionale Spannung an die Klemmen eines Widerstandes R mit einem

_1n bestimmten ohmschen Wert (d.h. R = V /l , wobei V

iu ^s max' max max

und I die Skalenendwerte der Ströme und Spannungen des max

Umsetzers darstellen, der selbstverständlich nicht die richtige Umsetzung analoger Grossen sicherstellen kann, die einem Strom oberhalb von I entsprechen angelegt wird;

max öt.»

jg (d) Die Vergleichs- und Referenzwege C_ und F der Endstufe E des Umsetzers enthalten je einen Widerstand, dessen ohmscher Wert = 2 χ R ist.

Wenn der Umsetzer auf diese Weise ausgebildet ist, zeigen Berechnungen, bei deren Durchführung ein beliebiger Eingangsstromwert im Umsetzungsbereich gewählt wird, dass, wenn die Komparatoren (und somit die Stromumschaltung) in ihrer Lage verriegelt und die Ströme in der Eingangsstufe mit Hilfe der Steuerschaltung unterdrückt werden, an den Klemmen dieser Widerstände der Stufe E der Wert des die umzusetzende analoge Grosse darstellenden Stroms und an den Klemmen des anderen Widerstandes der Stufe E_ der Skalenend-

wert des Komplements dieses Stromes gefunden wird. Diese zwei Anzeigen sind genügend, um den Wert dieses Stromes zu bestimmen, was bedeutet, dass für einen bestimmten Wert des digitalen Signals B B„B B, (oder G G G Gj der Umsetzer die Digital/ Analogumsetzung dieses Signals sicherstellen kann.

Ein weiterer Vorteil dieser günstigen Ausführungsform des Umsetzers ist folgender. Durch die Speicherschaltung, die das anfängliche analoge Signal speichert, kann der Unterschied zwischen diesem anfänglichen Signal und dem auf

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S3

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die obenbeschriebene Weise gebildeten analogen Signal gemacht werden. Nach- einer geeigneten Verarbeitung wird dieser Unterschied dazu benutzt, das Eingangssignal eines zweiten Analog/ Digitalumsetzers zu bilden. Dieser Umsetzer bewirkt die Um-

_ Setzung dieses Unterschiedes mit einer Anzahl von Bits, die von der des ersten Umsetzers verschieden sein kann.

Indem mehrere Umsetzer verwendet und den Referenzwerten der respektiven Eingangs stuf en geeignet-- Werte gegeben werden , kann auchein modularer Umsetzer mit einer höheren Anzahl von Bits erhalten werden. Figuren 11 und entsprechen hier einem Beispiel eines modularen Umsetzers mit fünf Bits, der aus zwei Umsetzersn 21 und 22 mit vier Bits aufgebaut ist. Aus Fig. 11 lässt sich erkennen, dass der Referenzstrom der Eingangsstufe des Umsetzers 21 gleich

■ic I /2 ist und dass der Referenzstrom der Eingangsstufe des Umsetzers 22 gleich 3I /2 ist. Nach Fig. 12, die die im

ΙΏ3Χ

Umsetzungsbereich des modularen Umsetzers möglichen Änderungen des umzusetzenden Signals I, zeigt, sichert so, wenn

dieses Signal X, kleiner als I ist, der Umsetzer 21 mit vi ^ö t max

2Q vier Bits seine Umsetzung, wobei das im grossen ganzen gelieferte digitale Signal gleich B B B B.B ist, wobei B₁=O ist und B , B„, Br, B vom Umsetzer 21 geliefert werden; wenn dagegen das umzusetzende Signal grosser als I ist,

Π19.Χ

sichert der Umsetzer 22 mit ebenfalls vier Bits diese Um-Setzung^ wobei das im grossen ganzen vom modularen Umsetzer gelieferte digitale Signal gleich B₁B₀B B.B_ ist, wobei

■ *~ j τ· j

B = 1 ist und B„, B„, B., B_ vom Umsetzer 22 geliefert werden. Die in die Umsetzer 21 und 22 eingeführten Hilfsströme sind z.B. gleich I /2, I lh, I /8, usw...., wie

^& max' ' max' ' max' ' · ^}

eg im obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel, aber können auch andere Werte entsprechend einer verschiedenen geometrischen Reihe oder sogar einer Reihe von einem anderen Typ, z.B. einer logarithmischen Reihe, annehmen.

Aus Obensthendem geht hervor, dass, die Komparatoren für gewisse Werte der an ihren Eingängen vorhandenen Ströme uneingestellt bleiben konnten. Schaltungen zur Annäherung des logischen Pegels jedes Bits auf Basis eines Mangels oder, im umgekehrten Falle, auf Basis eines Über-

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Schusses können jedem Komparator zugeordnet werden, um diese Möglichkeit uneingestellter Komparatoren zu beseitigen. Die vorhergehenden Figuren zusammen zeigen Ausführungsformen des Umsetzers, bei denen eine bipolare Technologie angewendet wird. Die Erfindung ist nicht auf diese Wahl beschränkt; das Prinzip des Umsetzers und seine Wirkung bleiben unverändert, wenn andere Technologien bei der Ausführung verwendet werden. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird dagegen die Wirkung verbessert,

jQ wenn die symmetrischen Elemente der unterschiedlichen Stufe paarweise angeordnet sind, was insbesondere für die Transistoren zutrifft.

Selbstverständlich beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf die eben beschriebenen und

]g dargestellten Ausführungsbeispiele, sondern sind viele Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich.

Z.B. sind in den Figuren schematisch der

Komparator jeder Umsetzungsstufe und der ihm zugeordnete Umschalter dargestellt. Die Funktionen des Vergleichs und der Stromumschaltung können auch mit Hilfe von Vergleichs— und Umschaltungsvorrichtungen mit Transistoren und mit Widerständen erhalten werden, in denen gegebenenfalls die ohmschen Werte der Widerstände derart eingestellt werden, dass verhindert wird, dass die Transistoren gesättigt werden, wodurch die Stromumschaltungsgeschwindigkeit vergrössert wird.

Übrigens ist bei der Beschreibung der Struktur des Umsetzers nach Fig. 5 angegeben, dass die Klemme der Quelle S , S_, S oder Sj,, die nicht mit dem Umschalter K₁, K_, K oder K. verbunden ist, mit der negativen Klemme der Speisequelle verbunden ist. Bei einer Abwandlung kann diese Klemme aber mit der positiven Klemme der Speisequelle verbunden sein. Auf dem Pegel jeder Umsetzungsstufe wird dann nicht mehr eine Addition, sondern eine Subtraktion von Strömen erhalten. Der Höchststrom, der die Widerstände der Wege jeder Umsetzungsstufe durchlaufen kann, nimmt also auf seinem Wege durch diese Stufen ab. Um denselben maximalen Spannungsabfall an den Klemmen dieser Widerstände zu

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erhalten, 1st es dann möglich, ihren ohmschen Wert zu erhöhen. So wird der Potentialunterschied an den Klemmen der Komparatoren für einen gleichen Unterschied zwischen dem Signalstrom und dem Übergangsstrom um einen Quantisierungsschritt vergrössert, wodurch eine grössere Empfindlichkeit 5 der Komparatoren erhalten wird.

Schliesslich sei bemerkt, dass ein Umsetzer beschrieben ist, bei dem eine bipolare Technologie angewandt wird, aber dass dieses Beispiel nicht beschränkend ist _1n und dass auch andere Technologien Anwendung finden können. Insbesondere kann auch das in jedem Weg jeder Umsetzungsstufe vorhandene Gebilde aus dem Transistor T oder T_

c f

und dem mit dem Emitter des betreffenden Transistors verbundenen Widers ersetzt werden.

bundenen Widerstand R oder R„ durch einen MOS-Transistor

c f

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Leerseite

Claims (1)

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PATENTANSPRÜCHE:

(j/ί Binärer Analog/Digitalumsetzer, dadurch gekennzeichnet, dass

- die in ein binäres digitales Signal umzusetzende analoge Grosse in dem Umsetzer durch ein Strom dargestellt wird, der zwischen dem Mindeststrom und dem Höchststrom liegt, die umgesetzt werden können;

- der Umsetzer nacheinander eine Eingangsstufe, Umsetzungsstufen, deren Anzahl gleich der Anzahl von η Bits des digitalen Signals ist, das erhalten werden soll, und eine Ausgangsstufe enthält, wobei jede dieser (n+2) Stufen vom Rang O, 1, 2,...i..., n-1, n, n+1 selber zwei besondere Ubertragungswege enthält, von denen einer als Vergleichsweg und der andere als Referenzweg bezeichnet wird, wobei die Vergleichswege der (n+2) Stufen alle in Reihe geschaltet, die Referenzwege dieser (n+2) Stufen ebenfalls alle in Reihe geschaltet und Übergangsschaltungen einerseits zwischen dem Vergleichsweg jeder Umsetzungsstufe und dem der nächstfolgenden Stufe und andererseits zwischen dem Referenzweg jeder Umsetzungsstufe und dem der nächstfolgenden Stufe angeordnet sind:

- in der Eingangsstufe der Vergleichsweg dazu bestimmt ist, auf den Vergleichsweg der nächstfolgenden Stufe einen sogenannten Eingangsstrom zu übertragen, und der Referenzweg dazu bestimmt ist, auf den Referenzweg

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der nächstfolgenden Stufe einen sogenannten Referenzstrom zu übertragen« der gleich einem Bruchteil des Höchststromes ist, wobei der Unterschied zwischen dem Eingangsstrom und dem Referenzstrom einen Strom bildet, der die in ein binäres digitales

Signal umzusetzende analoge Grosse darstellt} -·in jeder der η Umsetzungsstufen vom Rang 1, 2, 3»***»i* . , .., n-1 ,n, der Vergleichsweg der Stufe vom Rang i dazu bestimmt ist, auf den Vergleichsweg der nächstfolgenden Stufe einen Vergleichsstrom zu übertragen, der mindestens durch den Eingangsstrom gebildet wird, und der Referenzweg dieser Stufe vom Rang i dazu bestimmt ist, auf den Referenzweg der nächstfolgenden Stufe einen Referenzstrom zu übertragen, der gleich einem Bruchteil des Höchststromes ist j

- jede der η Umsetzungsstufen vom Rang 1, 2, J_t...,±, ..., n-1 , η einen Komparator enthält, der gemäss einem oder dem anderen der zwei möglichen Ergebnisse eines Vergleiches, def zwischen den zwei auf den Vergleichsweg bzw. den Referenzweg der Umsetzungsstufe vom Rang i durch die der vorhergehende Stufe übertragenen Ströme vorgenommen wird, dazu bestimmt ist, den logischen Pegel des zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Bits auf einem — oder im anderen Falle auf dem anderen- der zwei Werte festzulegen, die dieses Bit annehmen kann, und mit den zwei in der Umsetzungsstufe vom Rang i verglichenen Strömen und mit einem Hilfsstrom, der gleich einem Bruchteil des Höchststromes ist und in diese Stufe vom Rang i mit Hilfe einer entsprechenden Hilfsstromquelle eingehführt wird, eine derartige Stromums chal tung auf die Vergleichs- und Referenzwege der nächstfolgenden Stufe zu bewirken, dass, wenn und lediglich wenn ein Bit verbleibt, dessen logischer Pegel noch nicht festgelegt ist, der Komparator der nächstfolgenden Stufe, der zu diesem Bit mit noch nicht festgelegtem Pegel gehört, dann den

18.5.1979 3 PHF 78530 _m_...

Eingangsstrom mit der Summe— oder im anderen Falle mit dem Unterschied— des Referenzstroms, der in die Umsetzungsstufe vom Rang i über den Referenzweg der vornergehenden Stufe einführt wird, und des in diese Stufe vom Rang i mittels der entsprechenden Hilfsstromquelle eingeführten Hilfsstroms vergleicht, wobei diese Summe und dieser Unterschied in allen Fällen beide zwischen dem Mindeststrom und dem Höchststrom liegen, die umgesetzt werden können, während jeder Vergleich zwischen zwei Strömen mit Hilfe eines Vergleichs zwischen zwei ihnen proportionalen Spannungen erhalten wird und die vom Komparator gesteuerte Stromumschaltung dazu bestimmt ist, sogar wenn kein Bit verbleibt, dessen logischer Pegel noch ■nicht festgelegt ist, die Ströme in den Vergleichsund Referenzwegen zu entzerren; und

- in der Endstufe die Vergleichs- und Referenzwege dazu eingerichtet sind, die respektiven Ströme zu empfangen, die über die Vergleichs— und . Referenzwege der letzten Umsetzungsstufe vom Rang " n+1 übertragen werden.

2. ." ,' Umsetzer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeder Vergleich zwischen zwei Spannungen mit Hilfe eines Vergleichs zwischen Potentialunterschieden an den Klemmen zweier Widerstände vorgenommen wird, die einander gleich sind und je in einem Wege jeder Umsetzungsstufe angeordnet sind.

3. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator jeder Umgangsstufe vom Rang i gemäss einem oder dem anderen der zwei möglichen Ergebnisse des Vergleiches zwischen dem auf den Referenzweg

^5 dieser Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Referenzstrom und dem auf den Vergleichsweg derselben. Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen

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Strom dazu bestimmt ist, den logischen Pegel des zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Bits auf einem oder im anderen Falle auf dem anderen der zwei Werte, die dieser Pegel annehmen kann, . festzulegen und den ebenfalls zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Strom auf den Vergleichsweg oder im anderen Falle auf den Referenzweg der nächstfolgenden Stufe umzuschalten.

k. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator jeder Umsetzungsstufe vom Rang i gemäss einem oder dem anderen der zwei möglichen Ergebnisse des Vergleiches zwischen dem auf den Referenzweg diesel' Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Referenzstrom und dem auf den Vergleichsweg derselben Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Strom dazu bestimmt ist, den logischen Pegel des zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Bits auf einem oder im anderen Falle auf dem anderen der beiden Werte, die dieser Pegel annehmen kann, festzulegen und einerseits diesen Referenzstrom auf den Referenzweg der nächstfolgenden Stufe und andererseits die Summe auf den Vergleichsweg dieser Stufe vom Rang i durch den der vorhergehenden Stufe übertragenen Stroms und des ebenfalls zu dieser Stufe vom Rang i gehörigen Stromes auf den Vergleichsweg der nächstfolgenden Stufe oder im anderen Falle einerseits den auf den Vergleichsweg dieser Stufe vom Rang i durch den Vergleichsweg der vorhergehenden Stufe übertragenen Strom auf den Referenzweg der nächstfolgenden Stufe und andererseits die Summe dieses Referenzstroms und dieses Hilfsstroms auf den Vergleichsweg der nächstfolgenden Stufe umzuschalten.

5. Umsetzer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schaltung zur Änderung des Codes enthält, mit deren Hilfe ein digitales

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Signal mit η Bits, das im natürlichen Code dargestellt ist, ein ein digitales Signal, das im reflektierten Binärcode dargestellt ist, umgesetzt wird.

6. Umsetzer nach Anspruch h_t dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schaltung zur Änderung des Codes enthält, mit deren Hilfe ein digitales Signal mit η Bits, das im reflektierten Binärcode dargestellt ist, in ein digitales Signal, das im natürlichen Binärcode dargestellt ist, umgewandelt wird.

7. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Balancierschaltung enthält, mit deren Hilfe über den Referenzweg der Eingangsstufe ein derartiger Referenzstrom geschickt werden kann, dass die Summe dieses Stromes und des Eingangestroms konstant ist.

8. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass der in die erste Umsetzungsstufe eingeführte Hilfsstrom gleich der Hälfte des Höchststromes ist, der umgesetzt werden kann, und dass der in jede der Umsetzungsstufen, mit Ausnahme der ersten Umsetzungsstufe, eingeführte Hilfsstrom gleich der Hälfte des Hilfsstroms ist, der in die ihr vorangehende Umsetzungsstufe eingeführt wird.

9. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrom des Referenzweges der Eingangsstufe konstant ist.

10. Umsetzer nach Anspruch 9s dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzstrom, der den Referenzweg der Eingangsstufe durchläuft, gleich der Hälfte des Höchststromes ist, der umgesetzt werden kannj dass der in die erste Umsetzungsstrafe eineführte Hilfsstrom seinerseits gleich der Hälfte dieses Refereestroraes ist, und dass der in jede der Umsetzungsstufen eingeführte

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Hilfsstrom auch gleich der Hälfte des in ihr vorangehende Umsetzungsstufe eingeführten Hilfsstrom is.t.
11. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schaltung zum Synchronisieren der Bits des digitalen Ausgangssignals enthält, die dazu bestimmt ist, jedes einzelne Bit dieses Signals zu verzögern.
12. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Speicherschaltung zur Speicherung während der ganzen Dauer der Umsetzung des Stromes, der die in ein digitales Signal umzusetzende analoge Grosse darstellt,

je und eine Steuerschaltung enthält, mit deren Hilfe die Eingangs- und Referenzströme der Eingangsstufe unterdrückt und die Komparatoren direkt in der Lage verriegelt werden können, die sie einnehmen; dass dieser Strom, der die umzusetzende analoge

2Q Grosse darstellt, dadurch erhalten wird, dass eine dieser Grosse proportionale Spannung an die Klemmen eines "Widerstandes mit einem bestimmten ohmschen Wert angelegt wird, und dass die Vergleichs— und Referenzwege der Endstufe des Umsetzers

2g je einen Widerstand enthalten, dessen ohmscher Wert gleich dem Zweifachen des ohmschen Wertes des Widerstandes ist, an dessen Klemmen die der umzusetzende analogen Grosse proportionale Spannung angelegt wird.

„_ 13· Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er Schaltungen zur Annäherung des logischen Pegels jedes Bits auf Basis eines Mangels enthält, die jedem respektiven Komparator zugeordnet sind.

14. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er Schaltungen zur Annäherung des logischen Pegels jedes Bits auf Basis eines Überschusses enthält, die jedem

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respektiven Komparator zugeordnet sind. 15· Umsetzer" nach, einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ubergangs-' schaltungen, die zwischen den entsprechenden Wegen jeder Umsetzungsstufe und der nächstfolgenden Stufe angeordnet sind, Halbleiterelemente mit drei Elektroden sind, deren zwei Hauptelektroden mit dem Ausgang eines

fO Weges der,be treffenden Umsetzungsstufe bzw. mit dem Eingang des entsprechenden Weges der nächstfolgenden Stufe verbunden,sind und deren Steuerelektrode mit einer betreffenden Klemme einer Referenzspannungserzeugungsschaltung verbunden ist.

16. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis I5, dadurch gekennzeichnet, dass alle symmetrisch in"jedem der Vergleichswege und der Referenzwege jeder Stufe dieses Umsetzers vorhandenen Bestandteile paarweise angeordnet sind.

17· Binärer Analog/Digitalumsetzer vom modularen Typ mit einem ersten Umsetzer nach einem der Ansprüche 8 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens einen zweiten mit dem ersten identischen Umsetzer enthält, dessen Vergleichs- * weg in der Eingangsstufe dazu bestimmt ist, von demselben Strom wie der Vergleichsweg der Eingangsstufe des ersten Umsetzers durchlaufen zu werden, und dessen Referenzweg in der Eingangsstufe dazu bestimmt, äst, von einem Referenzstrom.clirchlaufen .zu werden, der gleich der Summe des maximalen von dem ersten Umsetzer umzusetzenden Stromes und des den Referenzweg der Eingangsstufe dieses ersten Umsetzers durchlaufenden Referenzstromes ist.

18. Schaltung zur Verarbeitung analoger Grossen, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine beliebige Anzahl von Umsetzern nach einem der Ansprüche

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1 bis 17 enthält.

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