DE2942948A1

DE2942948A1 - Analog-digital-umsetzer

Info

Publication number: DE2942948A1
Application number: DE19792942948
Authority: DE
Inventors: Joel Serge Colardelle; Pierre Girard; Jean-Pierre Michel Pillou
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1978-10-27
Filing date: 1979-10-24
Publication date: 1980-05-08
Also published as: GB2034994A; JPS5560335A; GB2034994B; US4325055A; FR2440121B1; BE879691A; FR2440121A1

Description

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Fl 1021 J.S.Colardelle et al 16-33-9

23. Oktober 1979 Go/bk

Analog-Digital-Umsetzer

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Analog-Digital-Umsetzer, insbesondere mit einem Umsetzer dieser Art_/der von dem Prinzip der Ladungsverteilung zwischen zwei Kondensatoren gleicher Kapazität Gebrauch macht.

Eine Wandlerschaltung der vorstehend genannten Art, welche unter Verwendung der MOS (Abkürzung für Metall-Oxid-Halb-leiter)-Technolgie ausgelegt wurde, ist bereits in dem Aufsatz von R.E. Suarez, P.R. Gray und D.A.Hodges, der in der US-Zeitschrift "IEEE Journal of Solid-State Circuits" Band SC-10, Nr. 6 vom September 1975 erschienen ist, beschrieben. Das angewendete Umsetzerprinzip ist das der Umsetzung durch sukzesive Approximationen. Der beschriebene Analog-Digital-Umsetzer wird um eine Digital-Analog-Umsetzerschaltung aufgebaut, die zwei Kondensatoren gleichen Wertes enthält. Der beschriebene Analog-Digital-Umsetzer erlaubt die Umsetzung von η Bits in ■=■ Iteration, wofür das in MOS-Technik ausgelegte Labormuster eine Zeit von ΙΟΟμΞ zur Umsetzung von 8 Bits benötigte.

Aufgabe der Erfindung ist somit die Angabe eines Analog-Digital-Umsetzers der obenerwähnten Art, der die Umsetzung von N-Bits in N-Iterationen ausführt.

Der Analog-Digital-Umsetzer nach der Erfindung soll ferner gegenüber dem vorstehend erwähnten eine höhere Geschwindigkeit aufweisen.

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer, der in N-Iterationen von einer Bezugsspannung VR den Digitalwert in N-Bits einer analogen Eingangsspannung V1 liefert, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst. Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Merkmale und Vorteile des Analog-Digital-Umsetzers nach der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung erläutert,

deren Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines herkömmlichen Digital-Analog-Umsetzers bedeutet,

deren Fig. 2 das Blockschaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers zeigt, der in der Schaltung zur Fig. 1 verwendet wird,

deren Fig. 3 zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips eines Analog-Digital-Umsetzers nach der Erfindung dient,

deren Fig. 4

das Prinzipschaltbild eines Analog-Digital-Umsetzers nach der Erfindung zeigt und

die Fig. 5

die im Umsetzer gemäß der Figur 4 verwendete Signalfolge veranschaulicht.

Die Prinzip- bzw. Blockschaltbilder der Figuren 1 und betreffen eine bereits bekannte Ausführung, insbesondere als Ergebnis des obenerwähnten Aufsatzes. Die Fig. 1 veranschaulicht schematisch eine Digital-Analog-Umsetzerschaltung, deren Funktionsweise im folgenden beschrieben wird. Die Kondensatoren Cl und C2 sind grundsätzlich vom gleichen Kapazitätswert. Die Umsetzung wird ausgeführt, in^_dem zunächst der geringste Bitwert, beispielsweise d1 genommen wird. Der Kondensator CT wird entweder an die Bezugsspannung VR über S2 gelegt,falls dl gleich der logischen 1 ist, oder mit

1 9 / Γ 7 8 3

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Masse über S3 verbunden, falls d1 gleich der logischen ist. Während der Aufladung von C1 wird der Kondensator C2 über S4 an Masse gelegt. Danach werden die Schalter S2, S3 und S4 geöffnet, wonach der Schalter S1 geschlossen wird, um die Möglichkeit einer Ladungsverteilung zwischen den beiden Kondensatoren C1 und C2 zu schaffen. Die Spannungen V1(1) und V2(1) an den Anschlüssen der Kondensatoren C1 bzw. C2 weisen dann den Wert

VR V1(1) = V2(1) = d1 · — auf.

Die Ladung von C2 bleibt dann erhalten und es wird der vorstehend beschriebene Schaltvorgang diesmal bei Auf nähme des nächsten geringstwertigen Bits wiederholt, beispielsweise für d2. Nach der Ladungsverteilung werden sich folgende Spannungen ergeben:

VR.

Das Betriebsverfahren wird abermals mit den folgenden Bits bis zu dem höchstwertigen Bit wiederholt, so daß bei vorhandenem K Bits die folgenden Spannungen nach K Ladungswiederverteilungen erhalten werden:

K 2ⁱdi

V1 (K) - V2(K) =y VR

f-1 ,K+1 1=1 2

Die oben beschriebene Digital-Analog-Wandlerschaltung kann zur Konstruktion eines mit sukzesiver Approximationen arbeitenden Analog-Digital-Umsetzers verwendet werden. Die Fig. 2 zeigt einen derartigen Analog-Digital-Umsetzer. Der dargestellte Umsetzer enthält den Digital-Analog-Umsetzerschaltkreis 1, den Komparator 2, das nach rechts schiebende Schieberegister 3, das nach links schiebende Schieberegister 4 und die Programmsteuerschaltung 5.

0 3 :"' 0 1 9 / 0 7 8 3

V1 (2) = V2 (2) = -

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Bei einer Analog-Digital-Umsetzung sollte das höchstwertige Bit zunächst bestimmt werden. Die Programmsteuerschaltung 5 erhält einen äußeren Startbefehl D und ein Taktsignal H; davon werden die Steuersignale für die Schalter S1 und S4, die Rechtsverschiebungs-Steuersignale 10, vom Schieberegister 3 an das Schieberegister 4 gegebene Übertragungs-Steuersignale und die Linksverschiebungs-Steuersignale 12 ausgelöst. Zum gegebenen Augenblick während der Umsetzung entsprechen die Eingangssignale am

dem Wort
Schaltkreis 1, welches beginnend mit dem geringswertigen Bit gerade codiert wurde. Die Gesamtzahl der Schritte und folglich die Umsetzungszeit ist groß, was seine Anwendungsmöglichkeiten begrenzt.

Die Erfindung schlägt daher einen Analog-Digital-Umsetzer vor der weniger Iterationen erforderlich macht und daher schneller ist. Dieser Vorteil wird anhand der Figuren 3 bis 5 eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im folgenden veranschaulicht. Die Figur 3 veranschaulicht das im Umsetzer nach der Erfindung zur Anwendung kommende Umsetzungsprinzip. Die zu codierende Analogspannung VIN wird mit

der Bezugsspannung Y^e5Sr.¹SiiⁿBezugsspannung größer als

der Analogspannungswert, ist der gesuchte Bitwert (), wonach der Analogspannungswert mit dem vorhergehenden durch zwei geteilten Bezugsspannungswert verglichen wird. Ist der Bezugsspannungswert niedriger als der Analogspannungswert, so ist der gesuchte Bitwert _1_, wonach der um den Wert des Referenzspannungswertes verminderter Analogspannungswert mit dem durch zwei dividierten Bezugsspannungswert verglichen wird. Die Betriebsweise wird wiederholt, bis alle Bits bestimmt sind.

Die Untersuchung des Schaltbildes der Figur 4 veranschaulicht, wie die vorliegende Erfindung von dem vorstehend erläuterten Umsetzerprinzip Gebrauch macht.

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Das Schaltbild der Figur 4 enthält zwei Paare von Kondensatoren, einerseits C1 und C'1 und andererseits C2 und C'2, an die die zu codierende Eingangsanalogspannung VIN bzw. die Bezugsspannung VR angelegt wird. Alle der vorstehend beschriebenen Funktionen werden von Schaltern M2, M4, M15 und M16 für das erste Paar (C1 und C¹D und von Schaltern M1, M3, M13 und M14 für das zweite Paar (C2 und C'2) ausgeführt, d.h. das Laden und Entladen eines Kondensators und die Ladungsverteilung zwischen zwei Kondensatoren. Der Op erationsverstärkerAMP kann über die Schalter M7 und M8 die über die Anschlüsse des Kondensators des ersten Pa,ars abfallende Spannung und über die

die
Schalter M5 oder M6 über die Anschlüsse eines Kondensators des zweiten Paars abfallende Spannung vergleichen. Über einen Schalter M18 kann der Ausgang des Verstärkers AMP sowohl mit dem Schieberegister REG als auch über die Schalter M17 und M12 bzw. über M17 und M11 mit den unteren Platten der Kondensatoren C1 bzw. C1 verbunden werden. Im Interesse der Vereinfachung wurde die Steuerschaltung in der Figur 4 nicht gezeigt; die dienlichen Steuersignale wurden jedoch seitlich der in Frage kommenden Schaltern in Klammern angegeben, während die Zeitfolge der Signale CL1 bis CL5 in der Figur 5 veranschaulicht wurde. Die Signale S und S werden mittels des Flipflop BA erhalten, der die an das Schieberegister REG angelegte letzte Information, d.h. An, bekommt. Das Signal EN1 ist ein zu Beginn des Umsetzvorgangs erzeugter Puls.

Die Funktionsweise der Schaltung gemäß Figur 4 wird im folgenden beleuchtet. Der zu codierende Ananlogspannungswert VIN kann in folgender Weise als Funktion der Bezugsspannung VR dargestellt werden:

VR VR VR

VIN ~ A1 + A2 + + An +

2 4 2ⁿ

030019 / 0 ⁷ 8 3

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Die Aufgabe des Umsetzers besteht in der Bestimmung der Werte O^ oder 1_ der Koeffizienten A1 bis An. Wir haben anhand der Figur 3 allgemein veranschaulicht, wie diese Koeffizienten bestimmt werden. Anhand der Figur 4 werden nun die verschiedenen Schritte der Umsetzung erläutert.

Auf einen Puls IN1 wird anfangs der Kondensator C1 über M2 auf den Analog-Eingangsspannungswert VIN und der Kondensator C2 auf den Bezugsspannungswert VR über M1 aufgeladen. Das Signal S wird anfänglich auf den logischen Wert J_ gesetzt. Auf den Taktimpuls CL1 hin wird die Ladung von C2 auf C2 und C2 über M3 verteilt. Dabei liegt das Signal CL3 auf der logischen £, wobei der Ausgangszustand des als Komparator verwendeten Verstärkers AMD am Schieberegister REG liegt.

15Da das Signal S auf der logischen J_ liegt, erfolgt ein Spannungsvergleich zwischen den Schaltungspunkten X1 und Y1 über die Schalter M6 und M7. Der Ausgangszustand des Ver stärkers AMP entspricht dem inversen Wert An (A1) oder An.

Ist die Spannung an Y1, die mit V(Y1) bezeichnet wird, größer als die Spannung an X1, welche mit V(X1) bezeichnet wird, dann ist An gleich der logischen 1_ (sie ist gleich £ im entgegengesetzten Fall). Auf den Puls CL2 wird, falls An gleich 2. ist, der Verstärker AMP in einer solchen Weise rückgekoppelt verwendet, daß der Kondensator C1 auf die

VR
Spannung V2 = VIN - — , wobei die Schalter M17, M11,

2
M4, M7, und M6 geschlossen sind. Auf den Puls CL4 werden der Kondensator C2 über M14 und der Kondensator C1 über M15 entladen. Das Flipflop DA ändertauf den Puls CL5 den Zustand, wobei S auf 1 gelegt wird. Daraufhin wird unter

-VR

Vergleich von V2 mit — einer weitere Iteration durchgeführt. ⁴

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Ist andererseits die Spannung V(Y1) niedriger als die Spannung V(X1), so liegt das Bit An (A1) auf der logischen £. In diesem anderen Fall wird der Kondensator C2 auf den Puls CL4 über Ml4 entladen und es findet eine neue Iteration ohne Änderung des Zustandes des Flipflops BA oder Änderung der Spannung an den Anschlüssen des Kondensators C1 statt.

Allgemein formuliert wird bei der η-ten Iteration die an C2 bzw. C'2 vorhandene Spannung durch auf den Puls CL1 erfolgendes SchlidJen von M3 durch zwei dividiert, so daß wir

VR
VRn = —=■ erhalten. Der Verstärker AMP vergleicht zur Be-

2ⁿ
Stimmung des Koeffizienten An den Wert VRn mit Vn. Dieser Vergleich wird sowohl zwischen V(X1) und V(Y1) gemacht, wenn S auf der logischen _1_ liegt, als auch zwischen V(X2) und V(Y2), wenn S auf der logischen £ liegt. Ist An gleich Λ_, so wird der Verstärker AMP in Rückkopplung verwendet und bewirkt auf einen Puls CL3 hin, daß der Spannungswert

V ., = V - VRn über die Anschlüsse des Kondensators C1. n+1 η '

falls S auf Λ_ liegt/ oder die des Kondensators C1 abfällt, falls S auf £ liegt. In allen Fällen tritt, der Spannungsabfall V - VRn am Kondensator auf und enthält nicht V_. η ^η

Ist der Koeffizient An gleich λ_, so ändert das Flipflop BA den Zustand auf einen Puls CL5 hin. Ist An gleich £,so werden auf einen Puls CL4 hin der Kondensator C'2 oder der Kondensator C2 entladen.je nach dem S auf 1 oder auf £ liegt und es kann eine weitere Iteration stattfinden. Nach jeder Iteration werden die Koeffizienten An im Schieberegister REG gespeichert, welches entsprechend einem Puls CL1 schiebt. Nach K Iterationen, wobei K die Anzahl der Bits des Umsetzers bedeutet, enthält das Schieberegister REG den Digitalwert der analogen Eingangsspannung VIN. Aus diesem Grunde führt dar Umsetzer nach der Erfindung das gewünschte Resultat in weit weniger Iteration aus und folglieh in weit geringerer Zeit als der eingangs erwähnte Umsetzer,

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Die Schaltung des Analog-Digital-Umsetzers nach der Erfindung wird in MOS-Technolgie ausgelegt und aus diesem Grunde in möglichst maximaler Symetrie. Da in Wirklichkeit nach jeder Iteration der Bezugsspannungswert durch zwei dividiert wird_/könnte der gleiche Schaltungspunkt, X1 oder X2, zur Durchführung des Vergleichs verwendet werden; einer der beiden Schalter M5 oder M6 könnte daher fortfallen. Gleichfalls ist nur einer der Entladungsschalter M13 oder M14 erforderlich. Die gewählte Lösung erlaubt jedoch, von daß der Effekt der Streukapazitäten M5, M6, M13 und M14 auf ein Minimum reduziert werden, da diese zwischen den Schaltungspunkten X1 und X2 verteilt sind.

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Claims

J.S.Colardelle et al 16-33-9 23. Oktober 1979 Go/bk Patentansprüche

1. Analog-Digital-Umsetzer, der in N Iterationen von einer Bezugsspannung VR den Digitalwert in N Bits einer analogen Eingangsspannung V1 liefert, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Iteration
5

- ein Analogspannungswert V. mit einem Bezugsspannungswert VRi verglichen wird, der durch Division des Bezugsspannungswertes der vorhergehenden Iteration durch 2 derart gebildet wird, daß VR

VRi = — ,

- das i-te Bit den Wert 1 hat, falls der Analogspannungswert Vj^ größer als der Bezugsspannungs-

wert VRi ist und den Wert 0 hat, falls der Analogspannungswert kleiner als der Bezugsspannungswert ist und

- der Bezugsspannungswert VRi vom Analogspannungs-

wert V· zur Bestimmung des Analogspannungswerts für die nächste Iteration abgezogen wird, falls das i-te Bit den Wert 1 hat, so daß V_i+1 = V.-VRi, und der Analogspannungswert V. für die nächste Iteration beibehalten bleibt, falls das i-te Bit den Wert 0 hat, so daß V.₊₁ = V.,

2, Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- ein erstes und ein zweites Kondensatorpaar mit Kondensatoren gleicher Kapazität,

- eine erste Verrichtung zur Aufladung eines Kondensators des ersten Kondensatorpaares auf die Bezugsspannung^VR

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- zwischen den Kondensatoren des ersten Kondensatorpaars angeordnete zweite Vorrichtung, welche geeignet ist, die auf einem der Kondensatoren vorhandene Ladung zu verteilen,

- eine dritte Vorrichtung die geeignet ist, einen Kondensator des zweiten Kondensatorpaars auf die analoge Eingangsspannung aufzuladen,

- eine vierte Vorrichtung die geeignet ist, einen Kondensator des zweiten Kondensatorpaars entsprechend der Spannungsdifferenz der Spannung am anderen Kondensator des zweiten Kondensatorpaars und der Spannung an einem Kondensator des ersten Kondensatorpaars umzuladen,

- eine fünfte Vorrichtung zum Vergleich der Spannungen an den Anschlüssen eines Kondensators des ersten Kondensatorpaars und eines Kondensators des zweiten Kondensatorpaars und

- eine sechste Vorrichtung zum Speichern des Ergebnisses eines jeden derartigen Spannungsvergleichs.

3, Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Vorrichtung aus Schaltern bestehen.

4. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte und fünfte Vorrichtung je einen Operationsverstärker enthalten, dessen Ausgang mit der sechsten Vorrichtung verbunden ist, falls er als Komparator verwendet wird, oder mit dem Anschluß desjenigen auf die genannte Spannungsdifferenz umzuladenden Kondensators des zweiten Kon -

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densatorpaars , falls dieser zur Differenzbildung verwendet wird.

5. Analog-Digital-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sechste Vorrichtung ein Schieberegister ist.

0 ■_ ,. ·.: ' 3 / η 7 π 3