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Schaltungsanordnung für einen Analog-Digital-Umwandler
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nach dem Pipelineprinzip mit einer Grobumwandlungs- und einer nachgeschalteten
Feinumwandlungsstufe Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für
einen Analog-Digital-Umwandler nach dem Pipelineprinzip mit einer Grobumwandlungs-
und einer nachgeschalteten Feinumwandlungsstufe, in denen das analoge Eingangssignal
Jeweils mit Schaltschwellenspannungen verglichen wird und zeitlich nacheinander
abgetastet Jeweils als digitales Ausgangssignal am Jeweiligen Ausgang abnehmbar
ist, die Schaltschwellenspannungen Jeweils mit Hilfe eines zwischen zwei Bezugs
spannungen angeordneten Spannungsteilers erzeugt werden und für Jede Schaltschwelle
ein das Eingangssignal mit der zugehörigen Schaltschwellenspannung vergleichender
Differenzverstärker mit vor- oder nachgeschaltetem getaktetem Speicher und danach
eine Verknüpfungsschaltung angeordnet sind, an deren Ausgang das digitale Ausgangssignal
im l-aus-nCode abnehmbar und hinter den Verkndpfungsschaltungen der Grobumwandlungsstufe
eine Digital-Analog-Umwandhngsstufe angeordnet ist, die ein dem digitalen Wert zu
einem bestimmten Zeitpunkt entsprechendes analoges Signal an eine Differenzverstärkerstufe
liefert, der weiterhin das analoge Eingangssignal verzögert zugeführt wird und die
das analoge Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe liefert.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist in der älteren Anmeldung nach
P 29 24 746.9 beschrieben. Der Gegenstand der Erfindung dieser älteren Anmeldung
besteht darin, zur Berichtigung falsch liegender Schaltschwellenspannungen eine
Erkennschaltungsanordnung und im Signale hinter dieser eine Auswerteschaltungsanordnung
anzuordnen, deren Ausgangssignale als Steuersignale dem für mindestens eine Schaltschwellenspannung
einstellbar ausgebildeten Spannungsteiler
zugeführt werden. Es ging
also im wesentlichen darum, die in der integrierten Schaltungstechnik gegenüber
Toleranzen sehr anfälligen Schaltschwellenspannungen bzw. Widerstandswerte innerhalb
eines Spannungsteilers durch eine entsprechende Schaltungsanordnung auszugleichen.
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Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß es schwierig ist,auf einem
Chip mit den oben genannten zahlreichen einzelnen Schaltelementen, also den vergleichenden
Differenzverstärkern, den Flip-Flops, den Gattern und den verschiedenen Feldeffekttransistoren,
einen genügend genauen Differenzverstärker mit zu integrieren, der an der Ubergangsstelle
zwischen dem Grobkonverter und dem Feinkonverter angeordnet ist. Dazu sei noch einmal
das Prinzip in groben Zügen beschrieben: Die Grobkonverterstufe besteht aus einer
Anzahl, z.B. 15, vergleichenden Differenzverstärkern, die parallel an die Eingangs
spannung und Jeweils eine Schaltschwellenspannung mit ihren Eingängen geschaltet
sind, wobei die Schaltschwellenspannungen von dem bereits genannten Spannungsteiler,
der zwischen zwei Bezugssspannungsquellen liegt, geliefert werden. Ein in seiner
Amplitude sich änderndes analoges Eingangssignal wird also in Abhängigkeit von der
Zeit an einer unterschiedlichen Anzahl von Differenzverstärkern anliegen und dadurch,
daß die nachgeschalteten Flip-Flops diese Differenzverstärker in ihren Ausgängen
mit der Frequenz eines Taktes abtasten, wird an diese ein Signal geliefert, und
zwar derart, daß immer soviel.Flip-Flops gesetzt sind, wie Differenzverstärker in
Abhängigkeit von der Amplitude des Eingangssignals angesteuert sind.
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Hinter diese Flip-Flops sind dann entsprechende Verknüpfungsgatter
geschaltet, an deren Ausgängen dann das digitale Signal im 1- aus -16-Code abnehmbar
ist. Dies wird zweckmäßigerweise einem ROM zugeführt und ist dort im Dualcode abnehmbar.
Näheres wird anhand der Figurenbeschreibung beschrieben.
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Der Feinkonverter oder die Feinumwandlungsstufe ist im Prinzip in
genau gleicher Weise aufgebaut, aber, um ihr ebenfalls ein analoges Eingangssignal
zuführen zu können, muß in der Grobumwandlungsstufe nicht nur ein digitales, sondern
auch ein analoges Signal abnehmbar sein, das dem digitalen Wert zu einem bestimmten
Zeitaugenblick entspricht.
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Somit kann eine analoge Differenzspannung zwischen der analogen Eingangsspannung
und der dem digitalen Wert der Grobumwandlungsstufe entsprechenden analogen Ausgangsspannung
gewonnen werden und nach Verstärkung der Feinumwandlungsstufe zugeführt werden.
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Beim Gegenstand nach der älteren Anmeldung wurde zum Zwecke der Umwandlung
des digitalen Signals in ein analoges Signal in der Grobumwandlungsstufe hinter
Jedem Verknüpfungsglied ein FET als Schalter angeordnet, dessen Gate mit dem Ausgang
des Verknüpfungsgatters verbunden war und dessen Drain-Anschluß Jeweils an der zugeordneten
Spannungsteilerspannung bzw. Schaltschwellenspannung lag und dessen Source-Anschlüsse
sämtlicher FET zusammengeschaltet als Ausgang eines Digital-Analog-Wandlers an den
einen Eingang des Differenzverstärkers geführt waren, dessen anderer Eingang über
eine Verzögerungsleitung bzw. Verzögerungsstufe mit dem Eingang der Grobumwandlungsstufe
verbunden war. Am Ausgang dieses Differenzverstärkers konnte nun ein verstärktes
Differenzsignal, d.h. also das analoge Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe,entnommen
werden, d.h. es wurde Jeweils dem positiven Eingang der vergleichenden Differenzverstärker
in der Feinumwandlungsstufe zugeführt. Der andere Eingang dieser vergleichenden
Differenzverstärker lag Jeweils an der zugeordneten Schaltschwellenspannung.
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Bei einer derartigen Schaltungsanordnung muß der Differenzverstärker
derart ausgelegt sein, daß sein Verstärkungsgrad möglichst genau dem Verhältnis
der Differenz der beiden Bezugsspannungsquellen zur Spannungsdifferenz zwischen
zwei
benachbarten Schwellwertspannungen, also der Anzahl der den
Spannungsteiler bildenden Transistoren zwischen den beiden Bezugsspannungsquellen
entspricht. War sein Verstärkungsgrad zu groß, so konnte die Eingangsspannung für
die Feinumwandlungsstufe größer als die obere Bezugsspannungsquelle werden, und
wurde für diese Fälle von den vergleichenden Differenzverstärkern der Feinumwandlungsstufe
nicht mehr richtig erkannt. War er in seinem Verstärkungsgrad zu klein, so wurde
gegebenenfalls nur ein Teil der vergleichenden Differenzverstärker in der Feinumwandlungsstufe
angesteuert, d.h. ein in bezug auf die Amplitude des Eingangssignals zu kleines
digitales Signal erzeugt.
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Das Kriterium für diesen Differenzverstärker war daher, daß er in
seinem Verstärkungsgrad genau auf die Stufung im Grobkonverter angepaßt werden mußte.
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Damit der Feinkonverter in gcrineter Weise angesteuert wird, muß,
wenn die Grobumwandlungsstufe die Eingangs spannung in 16 Stufen einteilt, d.h.
aus 15 vergleichenden Differenzverstärkern besteht, die Verstärkung des Differenzverstärkers
an der Übergangsstelle 16-fach mit einer maximalen Abweichung von + 0,5 sein, d.h.
die Abweichung darf nur + 3 , betragen; dann ist der Fehler kleiner als die Differenz
zwischen zwei benachbarten Schaltschwellenspannungen in der Feinumwandlungsstufe
und somit im Ausgangsdualcode-Signal nicht mehr erkennbar.
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Dieser sehr enge Toleranzbereich von1S5-bis 16,5-fach der Verstärkung
ist die Voransetzung für die Funktion des A/D-Wandlers nach dem Pipelining-Prinzip,
bei einer Auflösung von 8 Bit.
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Weiter gilt die strenge Forderung, daß die Gleichtaktverstärkung kleiner
1/32 ist, d.h. kleiner als ein halber Feinumwandlungs schwellwert.
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Da in der bisherigen integrierten Schaltungstechnik ein derart genauer
Differenzverstärker, der sich also auch über die verschiedensten Chargen gleichmäßig
in seinem Verstärkungsgrad verhalten soll, sehr schwierig darstellbar war, wurde
bisher die Grobumwandlungs- und die Feinumwandlungsstufe in einem Arbeitsgang hergestellt
und es wurden die betreffenden Leitungsanschlüsse für den Differenzverstärker nach
außen ausgeführt und ein besonders abgeglichener bzw. extra aufgebauter Differenzverstärker
von außen zugeschaltet. Hierbei wurde der Verstärkungsgrad des Differenzverstärkers
auch noch wiederholt abgeglichen.
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Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, diese umständlichen Maßnahmen
zu vermeiden und eine Schaltungsanordnung anzugeben, die es möglich macht, de Anforderungen
an den Differenzverstärker an der Übergangs stelle zwischen der Grobumwandlungsstufe
und der Feinumwandlungsstufe so weit zu reduzieren, so daß eine Gesamtintegrierung
auf einem genau samen Chip in Zukunft möglich ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei drier Schaltungsanordnung für
einen Analog-Digital-Umwandler nach dem Pipelineprinzip der eingangs genannten Art
nach der Erfindung Maßnahmen ergriffen, die dadurch gekennzeichnet.sind, daß die
Differenzverstärkerstufe aus einem ersten und einem zweiten Jeweils zwei symmetrische
Ausgänge aufweisenden Differenzverstärkern mit gleichem absoluten Verstärkungsgrad
besteht, die beiden negativen Ausgänge dieser Differenzverstärker miteinander verbunden
und sowohl an den unteren Fußpunkt des Spannungsteilers der Feinumwandlungsstufe
als auch über einen Lastwiderstand an den positiven Ausgang des ersten Differenzverstärkers
und dieser positive Ausgang an alle negativen oder positiven Eingänge der vergleichenden
Differenzverstärker der Feinumwandlungsstufe angeschlossen sind, weiterhin der positive
Ausgang des zweiten Differenzverstärkers an dem oberen Anschluß des Spannungsteilers
und
an den verbleibenden Eingang des oberen vergleichenden Differenzverstärkers
angeschlossen ist, ferner der invertierende Eingang des ersten sowohl mit dem invertierenden
Eingang des zweiten Differenzverstärkers als auch mit den Analogausgängen einer
ersten Digi tal-Analog-umwandlungs stufe in der Grobumwandlungsstufe, der nicht
invertierende Eingang des ersten Differenzverstärkers über eine Verzögerungsstufe
mit d dZr EingangsSemme und der nicht invertierende Eingang des zweiten Differenzverstärkers
mit den Analogausgängen einer zweiten hinter den Verknüpfungsachaltungen der Grobumwandlungs
stufe angeordneten Di gi tal-Anal og-Umwandlungsstufe verbunden sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung lind die Referenzeingänge
der zweiten Digital-Analog-Umwandlungsstufen an der Jeweils nächsthöheren Schaltschwellenspannung
angeschlossen.
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Weiterhin kann der Wert des Lastwiderstandes gleich dem Wert des Summenwiderstandes
des Spannungsteilers des Feinkonverters sein.
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Bei Einsatz der Erfindung werden also zwei Differenzverstärker erforderlich,
die zwar absolut recht ungenau sein dürfen, aber relativ zueinander sehr genau sein
müssen und zwar deswegen, weil ihre Ausgangsspannungen in der Feinumwandlungsstufe
aufeinander bezogen werden, nicht aber in bestimmten Relationen zu anderen Spannungen
stehen müssen.
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Der zweite Differenzverstärker liefert die Referenzspannung für die
Spannungsteilungskette des Feinkonverters und der erste Differenzverstärker die
Eingangsspannung für den Feinkonverter, die dann im Feinkonverter durch Vergleich
mit der Referenzspannung in einen digitalen Wert umgesetzt wird.
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Die relative Abweichung der Verstärkung der beiden Differenzverstärker
darf aus den vorangegangenen Betrachtungen eben-
falls nur + 3
, betragen bei einer nominalen, d.h. absoluten Verstärkung von z.B. 16-facher. Eine
Gleichtaktunterdrückung wird nicht gefordert.
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Um diese Maßnahmen zu verwirklichen, müssen nunmehr zusätzlich in
der Grobkonverterstufe als zweite D/A-Wandlerstufe noch weitere FET angeordnet werden,
an denen ein weiteres analoges Ausgangssignal für den zweiten Differenzverstärker
abnehmbar ist. Die Bezugsspannung für den Spannungsteiler für die Feinkonverterstufe
ist durch die Erfindung von der Bezugs spannung für den Grobkonverter bzw. die Grobkonverterstufe
abgekoppelt und an die Ausgänge des zweiten, zusätzlichen Differenzverstärkers angeschlossen.
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Durch diese Schaltungsanordnung ist nicht mehr eine absolut genaue
Verstärkung der beiden Differenzverstärker von z.B*' 16 + 0,5, sondern nur eine
relative Verstärkungsabweichung von + 3 % zwischen den beiden erforderlich. Die
absolute Verstärkung ist nur vom Linearitätsbereich der vergleichenden Differenzverstärker
in der Feinumwandlungsstufe abhängig und kann z.B. zwischen 15- und 30-fach liegen.
Die Forderung nach relativer Genauigkeit und nicht absoluter kommt jedoch einer
Integration auf einem Chip entgegen, da hier die relativen Toleranzen sehr klein
gehalten werden können, während absolute Werte mit hohen Toleranzen häufig von mehr
als 20 , behaftet sind.
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Die neue Spannungsteilerkette für die Feinumwandlungsstufe kann z.
3. ebenso wie die Spannungsteilerkette für die Grobumwandlungsstufe nach dem Gegenstand
der älteren Anmeldung nach P 29 24 746.9 an Steuerschaltungen angeschlossen werden,
so daß es möglich ist, auch hier den gleichen Grad an Genauigkeit beizubehalten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild
einer Grobumwandlungsstufe mit nachgeschalteter Feinumwandlungsstufe, Fig. 2 die
analogen Elngangssignale als Funktion der Zeit, Fig. 3 die Signalverläufe an den
Ausgängen der Flip-Flops Fl bis F15 und an den Ausgängen der Gatter G1 bis Gel 5
der Grobumwandlungsstufe, Fig. 4 die digitalen Ausgangssignale b7 bis b3 am Ausgang
des ROM der Grobumwandlungsstufe, den Spannungsverlauf N1 der Differenz der Eingangssignale
am Differenzverstärker Dl und das verstärkte Ausgangssignal E2 dieses Differenzverstärkers.
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In Fig. 1 ist die Grobumwandlungsstufe mit GADU/DAU bezeichnet. Durch
diese Bezeichnung soll zum Ausdruck kommen, daß in dieser Grobumwandlungsstufe ein
analoges Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt wird, aber auch
gleichzeitig das digitale Ausgangssignal wiederum in ein analoges Signal umgewandelt
wird, das mit Hilfe eines Differenzverstärkers als Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe
dient, die mit FADU bezeichnet ist.
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Die Eingangsspannung, also das analoge Eingangssignal, wird zwischen
dem gemeinsamen Bezugspunkt, z.B. Masse, und der Eingangsklemme E, wie links unten
in Fig. 1 eingezeichnet, angelegt. Der Eingang der Grobumwandlungsstufe GADU/DAU
besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus parallel geschalteten Differenzverstärkern
K1, K2, K3 bis K15. Es sind also fünfzehn Eingangsstufen vorhanden. Der eine Eingang
dieser vergleichenden Differenzverstärker ist mit der Eingangsklemme E verbunden
und der andere Eingang mit Jeweils einem Abgriff aus einer Spannungsteilerkette,
die aus Widerständen bestehen kann, oder, wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt,
aus FETs mit der Bezeichnung TS1, TS2 bis TS16. Dieser Spannungsteiler ist zwischen
eine Bezugsspannung UB3 und eine Bezugsspannung UB1 geschaltet, wobei z.B. UB3 +2
V und UB1 + 5V sein kann. Um die Widerstandswerte der FET TS1 bis TS16 entsprechend
ihren Sollwerten korrigieren zu können, sind Steueranschlüsse S1, S2, S3 bis S16
vorhanden, die mit Steuerschaltungen verbunden sein können, wie in der älteren Anmeldung
nach P 29 24 746.9 gezeigt.
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Entsprechend dem Amplitudenwert der Eingangsspannung, die an der Eingangsklemme
E angelegt wird, werden zu einem bestimmten Zeitaugenblick z.B. die vergleichenden
Differenzverstärker K1, K2 und K3 angesteuert, wenn z.B. die Differenz zwischen
zwei Jeweils benachbarten Schwellwertspannungen 0,1875 V (n 5V1 3V) beträgt und
in dem betreffenden Zeitpunkt (; Augenblick) der Amplitudenwert des analogen Eingangssignals
etwa 2,6 V beträgt.
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(2 V + 3 x 0,1875 V + d; O td t0,1875 V).
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Zum Taktzeitpunkt läuft ein Takt T1 an die Takteingänge der nachgeschalteten
Flip-Flops F1, F2, F3 bis FIS. In dem angegebenen Beispiel werden die drei Flip-Flops
F7, F2, F3 gesetzt, während die anderen gelöscht werden. Die Verknüpfungsgatter
G1, G2, G3 bis G14 reagieren entsprechend und an ihren Ausgängen liegt zusammen
mit dem invertierten Ausgang des Flip-Flops F1 und dem nicht invertierten Ausgang
des Flip-Flops FIS der Amplitudenwert in binär kodierter Form (also als Eins oder
Null bzw. High oder Low) im 1-aus-16-Code vor. Diese genannten Ausgänge werden auf
die Eingänge des ROM für die Grobumwandlungsstufe geführt, wo in an sich bekannter
Weise der Dualcode erzeugt wird, so daß an dem Ausgang des ROM die vier höherwertigen
Bits b7 bis b4 des Digitalwertes abgenommen werden können.
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Auf diese Weise ist es möglich, wenn die Taktfrequenz doppelt so groß
ist oder größer als die höchste, im analogen Eingangssignal vorkommende Frequenz
ist, das Eingangssignal ohne Informationsverfälschung zu digitalisieren.
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Die Feinumwandlungsstufe FADU wandelt nur analog-digital um.
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Ihre Signaleingangsklemme ist mit A bezeichnet. Die vergleichenden
Differenzverstärker sind hier K21, K22, K23 bis K36, die nachgeschalteten Flip-Flops
F21, F22, F23 bis F36 und die Verknüpfungsgatter G22 bis G34. Auch hier ist ein
ROM in gleicher Weise wie bei der Grobumwandlungsstufe angeordnet und es werden
die vier niederwertigen Bits b3 bis bO am Ausgang dieses zweiten ROM am Ende der
Feinumwandlungsstufe FADU verfügbar.
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Der vergleichende Differenzverstärker K36 und das dessen Ausgang abtastende
Flip-Flop F36 und dessen Ausgangssignal AF werden nicht zur direkten Umwandlung
des analogen Eingangssignals in ein digitales Ausgangssignal benötigt, sondern nur
als Erkennschaltungsanordnung für die in der älteren Patentanmeldung nach P 29 24
746.9 beschriebene Fehlerkorrekturschaltung und hat, wie überhaupt die ganze Fehlerkorrekturschaltung,
für den Gegenstand dieser Anmeldung keine Bedeutung. Das Pipeliningprinzip einer
Analog-Digital-Umsetzung beruht darauf, daß zunächst in einer ersten Umwandlungsstufe
(Grobumwandlungsstufe) das analoge Signal mit Schwellwertspannungen in groben Spannungsspriingen
verglichen und dabei digital gewandelt wird und anschließend - nach einer gewissen
Zeitverzögerung t2 - die Differenz zwischen der höchsten, vom analogen Eingangs
signal Uberschdttenen Schwellwertspannung und der um die Zeitspanne tl verzögerten
analogen Eingangsspannung fein digital gewandelt wird. Um dies mit vergleichenden
Differenzverstärkern gleicher Konstruktion und Empfindlichkeit wie in der Grobumwandlungsstufe
tun zu können, muß die Differenz entsprechend verstärkt werden.
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In der Einleitung wurde bereits darauf hingewiesen, daß zwischen der
Grobumwandlungsstufe und der Feinumwandlungsstufe eine Rückumsetzung des digitalen
Ausgangssignals der Grobumwandlungsstufe in ein analoges Signal erfolgen muß, um
ein Differenzsignal (C-B) mit dem analogen Eingangssignal E für die Grobumwandlungsstufe
als Eingangssignal C für die Feinumwandlungsstufe FADU zu erhalten.
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Dazu war es bekannt bzw. in der älteren Anmeldung bereits beschrieben,
hinter die Verknüpfungsglieder G1, G2, G3 bis G14 der Gro;bumwandlungsstufe GADU
entsprechend angeordnete FET Tl, T2, T3 bis T15 als DAU einzuschalten, an deren
Gates das digitale Signal im 1-aus-16-Code lag und an deren Ausgänge ein analoges
Signal abgegriffen werden konnte, das dem digitalen Wert zu dem betreffenden Zeitpunkt
entspricht.
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Gezeigt ist diese bereits auch in der älteren Anmeldung vorhandene
Leitung, die mit den Source-Anschlüssen der FET TO bis T15 verbunden ist, während
die Drain-Anschlüsse dieser FET Jeweils an dem Spannungsteiler angeschlossen sind,
und zwar Jeweils an dem einer Schaltschwelle zugeordneten. Während der Gegenstand
nach der älteren Anmeldung nach P 29 24 746.9 nur einen Differenzverstärker an der
tjbergangsstelle zwischen der Grobumwandlungsstufe GADU/DAU und der Feinumwandlungsstufe
FADU zeigte, sind nach der Erfindung, aus Fig. 1 unten ersichtlich, zwei Differenzverstärker
angeordnet, und zwar die mit den Bezeichnungen D1 und D2, deren absolute Verstärkungsgrade
untereinander gleich sein müssen, aber keinen bestimmten, eng vorgeschriebenen Wert
haben müssen.Die Eingänge des ersten Differenzverstärkers D1 sind genauso geschaltet
wie die des Differenzverstärkers OP1 nach Fig. 1 der älteren Anmeldung P 29 24 746.9,
nämlich der nicht invertierende Anschluß ist huber eine Verzögerungsleitung bzw.
Verzögerungsstufe tl mit der Eingangsklemme E verbunden und der invertierende, also
mit Minus bezeichnete Anschluß, liegt an den bereits oben beschriebenen Transistoren
TO bis T16, und zwar Jeweils an den Source-Anschlüssen und somit am Ausgang eines
DAU 1. Der weitere nach dieser Erfindung neu hinzukommende Differenzverstärker D2
liegt nun mit seinem invertierenden Eingang am invertierenden Eingang des ersten
Differenzverstärkers D1, also auch am Ausgang DAU 1 , während der nicht invertierende
Eingang des Differenzverstärkers D2 nunmehr an den Source-Anschlüssen weiterer als
Schalter angeordneter FETs liegt, die in Fig. 1 mit TB1 bis TB15 bezeichnet sind,
die einen DAU 2 bilden. Der Unterschied besteht darin, daß die Drain-Anschlüsse
dieser FET TB1 bis TB15 nicht an der Jeweils zugehörigen, d.h. der zuletzt von der
Eingangsspannung überschrittenen Schaltspannungsschwelle liegen, sondern an der
Jeweils nächsthöheren, die Gate-Anschlüsse jedoch mit den entsprechenden von DAU
1 verbunden sind. So liegt z.B. der Drain-Anschluß des FET TB1 nicht an dem Verbindungspunkt
zwischen den entsprechenden Anschlüssen der Spannungsteiler
transistoren
TS1 und TS2, sondern an dem Verbindungspunkt der Anschlüsse der nächsthöheren Schalt
schwelle zwischen den Transistoren im Spannungsteiler TS2 und TS3. Entsprechend
liegt der Drain-Anschluß des FET TB2 an der nächsthöheren Schaltschwelle, also an
der Verbindungsstelle zwischen den Anschlüssen der Spannungsteilertransistoren TS3
und TS4.
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Die Ausgänge der beiden Differenzverstärker sind nun nicht wie bei
dem Differenzverstärker OP1 in Fig. 1 der älteren Anmeldung nach P 29 24 746.9 auf
Masse bezogen, sondern frei, die beiden negativen Ausgänge Jedoch verbunden.
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Der zweite Differenzverstärker D2 schafft an seinen Ausgängen zwei
neue Bezugsspannungsquellen: Am positiven Ausgang A die mit UB2 bezeichnete Bezugsspannungsquelle
und am negativen Ausgang mit der Klemme B die mit UB4 bezeichnete Bezugsspannungsquelle.
Zwischen diesen beiden Bezugsspannungsquellen sind die mit ihren Drain- und Source-Anschlüssen
in Reihe geschalteten Transistoren T21, T22 bis T36 als Spannungsteiler geschaltet,
der an seinen Abgriffen die Schwellwertspannungen für die vergleichenden Differenzverstärker
der Feinumwandlungsstufe liefert. Die Gate-Anschlüsse S27 bis S36 können wie in
der älteren Anmeldung P 29 24 746.9 für S1 bis Si5 beschrieben von der dort angeführten
Fehlerkorrekturschaltung angesteuert werden. Der Spannungsteiler kann auch aus Widerständen
bestehen.
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Damit gibt der Differenzverstärker D2 die Schwellwertspannungen für
die Feineinstellungsstufe vor.
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Da der negative Ausgang B des Differenzverstärkers D1 mit dem negativen
Ausgang des Differenzverstärkers D2 und somit mit der "unteren" Bezugsspannungsquelle
UB4 verbunden ist, bezieht sich der positive Ausgang C des Differenzverstärkers
D1, also das analoge Eingangssignal der Feinumwandlungsstufe, auf den Fußpunkt des
Spannungsteilers in der Feinumwandlungs-
stufe. Zwischen positivem
C und negativem Ausgang B des Differenzverstärkers D1 wird ein Lastwiderstand R
geschaltet, dessen Größe dem Summenwiderstand des Spannungsteilers entspricht; dadurch
sind die Ausgänge der beiden Differenzverstärker gleich belastet.
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Durch Einsatz der beiden Differenzverstärker D1 und D2 gelingt es,
die Referenzspannungen für den Feinkonverter abhängig von dem Verstärkungsgrad der
Differenzverstärker zu machen, von dem Ja auch die Höhe des Eingangssignals für
den Feinkonverter abhängt.
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Fig. 2 zeigt die wesentlichen Signale eines Analog-Digital-Umwandlers
als Funktion der Zeit. Als analoges Eingangssignal an der Eingangsklemme E wird
die ansteigende Flanke einer Dreiecks-Spannung angenommen bzw. betrachtet. Sie ist
in der Fig. 2 mit E bezeichnet. Die Treppenkurve DA1 zeigt den zugehörigen Verlauf
des an den negativen Eingängen der beiden Differenzverstärker D1 und D2 anliegenden
analogen Signals (= Ausgangssignal des DAU 1). Die Treppenkurve DA2 zeigt den zugehörigen
Verlauf des Ausgangssignals DAU 2.
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In der nachfolgenden Fig. 3 sind die Signalverläufe an den Ausgängen
der Flip-Flops F1 bis F15 aufgezeichnet. Mit Q ist der nicht invertierte Ausgang
bezeichnet, der dem Eingang direkt folgt, mit der invertierte Ausgang des Jeweiligen
Flip-Flops.
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Die folgenden Zeilen in Fig. 3 geben die Signale an den Ausgängen
der Verknüpfungsgatter an; in ihnen ist das Eingangssignal im l-aus-16-Code dargestellt.
Diese Signale wirken auch auf die Gates der beiden Digital-Analog-Umwandler-Stufen
DAU 1 und DAU 2 und auf die Eingänge des ROM der Grobumwandlungsstufe. Die Zeilen
b7 bis b4 stellen den Ausgang des ROMS dar (siehe Fig. 4).
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Ni zeigt den Spannungsverlauf der Differenz der Eingangssignale am
Differenzverstärker D1, E2 das verstärkte Ausgangssignal dieses Differenzverstärkers
auf die Bezugsspannungsqulle UB4 bezogen. E2 dient als Eingangssignal für die Feinumwandlungsstufe
und wird in dieser wie E in der Grobumwandlungsstufe mit entsprechenden Schwellwertspannungen
verglichen und digital gewandelt (siehe Fig. 4).
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Zwischen der Darstellung von N1 und E2 ist eine Zeitdehnung vorgenommen
worden.
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D1 und D2 können beliebige Verstärkung haben; wenn sie nur untereinander
gleich sind - dies ist leicht zu erreichen, da sie bei einer Integration- - dicht
nebeneinander auf einem IC liegen - liegt E2 immer richtig zwischen UB4 und UB2,
also im Bereich der Schwellwertspannungen der Feinumwandlungsstufe.