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"Analog-Digital-Wandler'
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Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler aus einer Kette
von mehreren in Reihe geschalteten, untereinander gleich aufgebauten Stufen, von
denen jede einen Verstärker mit einer Spannungsverstärkung von zwei, dessen Eingang
den Eingang der Stufe darstellt, einen Vergleicher, der die Eingangsspannung der
Stufe mit einer ersten Referenzspannung vergleicht und ein Ausgangssignal mit einem
ersten Wert erzeugt, wenn die Spannung am Eingang die erste Referenzspannung überschreitet,
und einen Subtrahierer enthält, der beim Ausgangssignal des Vergleichers mit dem
ersten Wert von der Ausgangsspannung des Verstärkers eine zweite Referenzspannung
gleich der maximalen umzuwandelnden Eingangsspannung subtrahiert, wobei die Ausgangsspannung
des Subtrahierers die Eingangsspannung der folgenden Stufe istp Analog-Digital-Wandler
nach dem Prinzip der schrittweisen Annäherung sind bekannt, beispielsweise aus der
Zeitschrift ViElektronik'f9 1972, Heft 6, Seiten 41 - 45. Ein solcher Wandler besteht
aus einer Kette von Stufen, die eine bestimmte nichtlineare Verstärkung aufweisen
müssen.
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Ein Beispiel für eine solche Stufe entsprechend dem eingangs angegebenen
Analog-Digital-Wandler ist in der Zeitschrift 'iElectronics, 29. März 1979, Seite
43 und 44 angegeben Durch Verwendung spezieller Bauelemente ist dabei eine sehr
hohe Umwandlungsgeschwindigkeit erreicht worden. Diese Bauelemente bzw. deren Herstellungsverfahren
sind Jedoch nicht üblich und damit außerordentlich teuer, und außerdem ist die Abtastrate
des Eingangssignals,die die höchste im Eingangssignal zu verarbeitende Frequenzkomponente
bestimmt, von der Anzahl der hintereinander geschalteten Stufen entsprechend der
gewünschten Stellenzahl des Digitalworts abhängig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Analog-Digital-Wandler der eingangs
genannten Art nach dem Prinzip der schrittweisen Annäherung so auszugestalten, daß
auch bei Stufen mit gebräuchlichen Herstellungsmethoden eine hohe Abtastrate des
Eingangssignals möglich ist, die nicht von der gewünschten Anzahl der Stellen des
Digitalworts abhängig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kette in
mehrere Teile unterteilt und Jedem Teil eine Abtast-Halte-Schaltung mit zwei Signalanschlüssen
und einem Steueranschluß vorgeschaltet ist, daß die Steueranschlüsse der Abtast-Halte-Schaltungen
aufeinanderfolgender Teile abwechselnd mit einer anderen von zwei Taktleitungen
verbunden sind, deren Taktsignale sich nicht überlappen, daß der Ausgang jedes Vergleichers
auf den Eingang eines der betreffenden Stufe zugeordneten Schieberegisters mit einer
Anzahl Elemente führt, die bei Jeweils zwei aufeinanderfolgenden Teilen gleich ist
und zu dem in Signalrichtung folgenden zwei Teilen um 1 abnimmt, wobei Jedes Schieberegister
einen Schiebetaktimpuls eine vorgegebene Zeitspanne, die mindestens der Einschwingzeit
aller Stufen des betreffenden Teils entspricht, nach dem Taktsignal des diesem Teil
vorgeschalteten Abtast-Halte-Schalters erhält, und daß die Ausgänge aller Schieberegister
parallel das dem vor einer Anzahl Taktsignale der Taktleitungen entsprechend der
Anzahl Teile der Kette dem Eingang des Wandlers zugeführten analogen Eingangs signal
entsprechende Digitalwort abgeben.
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Durch die Einfügung von Abtast-Halte-Schaltungen in die in mehrere
Teile unterteilte Kette wird nun eine Abtastfrequenz möglich, die sich nur nach
der Gesamtverzögerungszeit eines Teils der Kette richtet, die besonders kurz ist,
wenn nach einer Ausgestaltung der Erfindung jeder Teil nur eine einzige Stufe enthält.
Durch die Abtast-Halte-Schaltungen entsteht zwar eine konstante Zeitverschiebung
zwischen dem umzuwandelnden analogen Signal und dem umgewandelten Digitalwort, die
jedoch in den meisten Fällen bedeutungslos ist. Auf diese Weise kann mit dem erfindungsgemäßen
Analog-Digital-Wandler eine
Abtastfrequenz des Analogsignals verwendet
werden, die sonst nur bei schnellen parallel arbeitenden Anordnungen mit einem Vergleicher
für Jede Quantisierstufe möglich ist, wobei letztere Anordnungen jedoch einen außerordentlich
höheren Aufwand erfordern.
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In anderen Fällen, wenn das analoge Eingangs signal nur höchste Frequenzkomponenten
enthält, die weit unter der höchsten zulässigen Abtastfrequenz liegen,kann mit der
erfindungsgemäßen Anordnung eine wesentliche Einsparung von Bauelementen erreicht
werden. Dies geschieht nach einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß dem Eingang
der Kette ein Umschalter vorgeschaltet ist, der periodisch abwechselnd einmal mit
dem analogen Signaleingang und einmal oder aufeinanderfolgend mehrmals mit dem Ausgang
der Kette verbunden ist, wobei bei einer ungeraden Anzahl von Teilen dem letzten
Teil eine Abtast-Halte-Schaltung nachgeschaltet ist,und die Steuereingänge der der
Kette vor- und nachgeschalteten Abtast-Halte-Schaltungen mit verschiedenen Taktleitungen
verbunden sind. Dabei durchläuft das Eingangs signal bzw.
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die bei der Umwandlung entstehenden Zwischensignale die Kette mehrmals,
so daß Jede Wandlerstufe mehrfach ausgenutzt wird.
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Bei einem genügend großen Unterschied zwischen der höchsten zulässigen
Abtastfrequenz und dem höchsten Frequenzanteil im analogen Signal, wie es beispielsweise
bei Audiosignalen der Fall sein kann, kann eine extreme Einsparung von Bauelementen
erreicht werden, indem nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Kette
nur einen einzigen Teil enthält. Wenn dieser Teil nur eine einzige Stufe enthält,
werden alle Stellen der Digitalworte in Serie erzeugt, so daß das Schieberegister
für diese Stufe eingespart werden kann, wenn die weitere Verarbeitung der Datenwörter
seriell erfolgt, beispielsweise bei serieller Ubertragung oder Aufzeichnung.
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In der eingangs genannten Druckschrift "Electronics" vom 29. März
1979, Seite 43 und 44 enthält der dort beschriebene Wandler in jeder Stufe im wesentlichen
drei Elemente, nämlich einen Verstärker,
einen Vergleicher und einen
Subtrahierer. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann dieser Aufwand
verringert werden, indem der Subtrahierer Jeder Stufe mit dem Weise stärker der
nachfolgenden Stufe zu einem subtrahierenden Verstärker zusammengefasst ist und
dem Vergleicher der letzten Stufe Jedes Teils der Kette eine Digital-Speicherstufe
nachgeschaltet ist, die das Ausgangssignal des Vergleichers frühestens mit dem Schiebetakt
des zugehörigen Schieberegisters übernimmt und deren Ausgangs signal den Subtrahierverstärker
der nächsten Stufe steuert. Dadurch sind also in Jeder Stufe nur zwei der kostenaufwendigsten
Elemente notwendig.
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Ein solcher Subtrahierverstärker kann nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung besonders einfach dadurch aufgebaut sein, daß der Subtrahierverstärker
ein Differenzverstärker ist, dessen nichtinvertierender Eingang das Eingangssignal
der Stufe erhält und dessen invertierender Eingang über einen ersten Widerstand
mit dem Verstärkerausgang und über einen zweiten Widerstand gleichen Wertes mit
einem vom Vergleicher bzw. von der Digital-Speicherstufe der vorhergehenden Stufe
gesteuerten Umschalter verbunden ist, der bei einem Signal am Ausgang dieses Vergleichers
bzw. dieser Digital-Speicherstufe mit dem ersten Wert den zweiten Widerstand mit
der zweiten und beim anderen Wert mit einer dritten Referenzspannung verbindet,
wobei die erste Referenzspannung des Vergleichers in der Mitte zwischen der zweiten
und dritten Referenzspannung liegt. Die zweite und die dritte Referenzspannung können
den gleichen Betrag, Jedoch entgegengesetztes Vorzeichen haben, so daß die erste
Referenzspannung den Wert 0 hat. Dies ergibt eine besonders einfache Erzeugung der
Referenzspannungen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines vollständigen Analog-Digital-Wandlers,
Fig.
2 einige Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktion des Wandlers nach Fig 1, Fig.
3 einen möglichen Aufbau einer einzelnen Wandlerstufe, Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung
der Funktion dieser Wandlerstufe, Fig. 5 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen
Analog-Digital-Wandlers mit nur einer einzigen Stufe, Fig. 6 einen einfacheren Aufbau
einer Wandlerstufe0 Die Fig.lzeigt eine Kette von einzelnen Wandlerstufen 11, 12,
21, 22, usw. bis 51, 52, die untereinander alle gleich aufgebaut sind und Je ein
Bit des zu erzeugenden Digitalworts abgeben Jeweils zwei Stufen bilden einen Teil
der Kette, und Jedem Teil ist eine Abtast-Halte-Schaltung 10, 20 usw. bis 50 vorgeschaltet
Jede Abtast-Halte-Schaltung besteht üblicherweise aus einem Schalter, der den Eingang
der Schaltung mit einem als elektrischer Speicher arbeitenden Kondensator verbindet
und diesen auf die Eingangsspannung auflädt, die dann auch bei geöffnetem Schalter
am Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung abgegeben wird Der andere Anschluß des Kondensators
ist mit einer nicht dargestellten Bezugsspannung verbunden.
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Die Schalter der Abtast-Halte-Schaltungen 10, 30 und 50 werden von
einem Signal auf der Taktleitung 1 betätigt, und die Schalter der Abtast-Halte-Schaltungen
20 und 40 erhalten als Betätigungssignal ein Signal von der Taktleitung 2.
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Die Digitalausgänge der einzelnen Stufen 11, 12, ... sind mit Eingängen
von Schieberegisterstufen 13, 23, usw. bis 53 verbunden, die ebenfalls entsprechend
verschachtelt die Signale der Taktleitung 1 bzw. 2 als Schiebetakt erhalten. Jede
Schieberegisterstufe 13, 23 ... besteht hier aus zwei Speicherelementen zur getrennten
Speicherung der beiden digitalen Ausgangssignale der angeschlossenen Stufen, und
an den Ausgängen der ersten Schieberegisterstufen
sind weitere
Schieberegisterstufen wie z.B. 14, 15, 24, 34 angeschlossen, die gleich aufgebaut
und jeweils den gleich chen Schiebetakt erhalten, so daß beispielsweise die Schieberegisterstufen
13, 14 und 15 als ein zusammenhängendes Schieberegister aufgebaut sein können, deren
Stufen hier nur der Ubersichtlichkeit halber auseinandergezogen dargestellt sind.
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Bevor auf die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung
näher eingegangen wird, soll zunächst der Aufbau einer einzelnen Stufe näher erläutert
werden.
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Eine derartige Stufe ist in Fig. 3 dargestellttund enthält einen analogen
Verstärker 61 mit einem Verstärkungsfaktor 2. An den Ausgang dieses Verstärkers
61 ist hier ein Eingang, und zwar der invertierende Eingang, eines Vergleichers
63 angeschlossen, dessen anderer, nichtinvertierender Eingang eine Referenzspannung
Ur erhält. Der Ausgang des Vergleichers 63 liefert das digitale Ausgangssignal dieser
Stufe auf der Leitung d nach außerhalb und betätigt außerdem einen Umschalter 67,
der den Subtrahiereingang eines Subtrahierers 65 entweder mit Bezugsspannung 0 oder,
wenn die Ausgangs spannung des Verstärkers 61 die Referenzspannung Ur überschreitet,
mit dieser Referenzspannung verbindet. Der andere, nichtsubtrahierende Eingang des
Subtrahierers 65 ist mit dem Aus gang des Verstärkers 61 verbunden.
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Die Funktion dieser Stufe ist wie folgt: Wenn die dem Verstärker 61
zugeführte umzuwandelnde Analogspannung Un von 0 an steigt, steigt die Ausgangs
spannung des Verstärkers 61 und damit zunächst auch die Ausgangsspannung U(n+1)
des Subtrahierers 65 mit dem doppelten Wert. Sobald nun die Eingangs spannung Un
die halbe Referenzspannung Ur überschreitet, überschreitet das Ausgangssignal des
Verstärkers 61 die Referenzspannung Ur, so daß der Vergleicher 65 anspricht und
ein binäres l"-Signal auf der Leitung d abgibt und gleichzeitig den Schalter 67
in die entgegengesetzte Lage umschaltet, so daß nun der Subtrahierer 65 von der
Ausgangs spannung des Verstärkers 61 die Referenzspannung Ur subtrahiert. Daher
gilt für die Ausgangsspannung U(n+1) des Subtrahierers 65 und
damit
der ganzen Stufe U(n+1) = 2 Un - d . Ur d = O für Un d = 1 für Un> Ur 2 Diese
Funktion ist in Fig. 4 der Übersichtlichkeit halber graphisch dargestellt, wobei
zu berücksichtigen ist, daß die Maßstäbe der beiden Achsen unterschiedlich sind.
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Der eine, invertierende Eingang des Vergleichers 67 kann auch mit
dem Eingang der Stufe direkt verbunden sein, wobei dann der andere Eingang des Vergleichers
63 mit der halben Referenzspannung verbunden werden muß, oder bei Verbindung mit
der vollen Referenzspannung wie in Fig. 3 dargestellt verdoppelt sich der zulässige
Bereich der Eingangsspannung Un auf die doppelte Referenzspannung, so daß dann der
Subtrahierer 65 beim Ansprechen des Vergleichers 63 die doppelte Referenzspannung
subtrahieren müsste.
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Der Ausgang einer Stufe ist nun mit dem Eingang der nächstfolgenden
Stufe verbunden, die dann bei einer Eingangsspannung Un der ersten Stufe bei 1/4
Ur und bei 3/4 Ur ein digitales Ausgangssignal abgibt, d.h. ein Digitalsignal entsprechend
der zweithöchsten Stelle des zu erzeugenden Digitalworts. Auf diese Weise werden
die einzelnen Stellen des Digitalworts durch Reihen schaltung einer entsprechenden
Anzahl von Stufen erzeugt.
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Die bei einer größeren Anzahl von Stellen des Digitalworts notwendigen
Stufen rufen nun Jedoch eine merkliche Signalverzögerung hervor, denn das Digitalwort
steht erst dann vollständig zur Verfügung, wenn das Eingangssignal sämtliche Stufen
vollständig durchlaufen hat und auch die letzte Stufe ihren eingeschwungenen Zustand
erreicht hat. Erst dann kann ein neues Eingangssignal angelegt werden. Da die Folge
der Eingangssignale,
d.h. die Abtastrate des umzuwandelnden Eingangssignals,
die höchste Frequenz des Eingangssignals bestimmt, die verarbeitet werden kann,
sind daher Analog-Digital-Wandler mit einer größeren Anzahl von Stellen relativ
langsam und können keine hochfrequenzen Eingangssignale verarbeiten.
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Kette aus den Aus diesem Grunde ist in Fig. 1 die/einzelnen Stufen
11, 12, 21 usw. in Teile von Jeweils zwei Stufen eingeteilt, und zwischen Jeweils
zwei Teile ist eine Abtast-Halte-Schaltung 20, 30, usw. eingefügt. Die Funktion
und Auswirkung dieser Maßnahme soll nachfolgend anhand des Zeitdiagramms in Fig.
2 näher erläutert werden, das die Signale auf verschiedenen Leitungen bzw. Ausgängen
von Elementen der Fig. 1 darstellt, wobei die einzelnen Zeilen des Diagramms in
Fig. 2 mit den Bezugszeichen der zugehörigen Elemente h eze;chnet sind.
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Bei den Taktsignalen auf den Taktleitungen 1 und 2 ist angenommen,
daß nur die positiven Taktsignale aktiv sind und daher Jeweils nur so lang sind,
daß sich die Taktsignale auf verschiedenen Leitungen nicht überschneiden. Mit dem
ersten Impuls der Taktleitung 1 wird das am Anschluß 3 angelegte, umzuwandelnde
analoge Signal über die Abtast-Halte-Schaltung 10 den beiden in Reihe geschalteten
Wandlerstufen 11 und 1? zugeführt, die somit bis zum nächsten Taktsignal auf dieser
Taktleitung 1 den ersten analogen Signalabtastwert a1 verarbeiten. Nach einer gewissen,
durch den Aufbau der Stufen gegebenen Zeitverzögerung erzeugen diese beiden Stufen
die zu diesem Signalabtastwert ge hörigen beiden Digitalwerte für die beiden höchsten
Stellen des Digitalworts, die hier mit d11 bezeichnet sind und mit dem ersten Taktsignal
auf der Taktleitung 2 in die Schieberegisterstufen 13 eingeschrieben werden.
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Mit dem gleichen Taktsignal wird auch der Schalter in der Abtast-Halte-Schaltung
20 geschlossen und das Ausgangssignal der Stufe 12, das vom Signalabtastwert al
abgeleitet ist und hier
der Einfachheit halber ebenfalls mit al
bezeichnet ist, den Stufen 21 und 22 zugeführt. Diese erzeugen ebenfalls nach der
Stufenverzögerungszeit die digitalen Ausgangssignale d12 , die also das dritte und
vierte Bit des zu erzeugenden Digitalworts darstellen, und diese werden mit dem
nächsten Taktsignal auf der Taktleitung 1 in die Schieberegisterstufen 23 eingeschrieben.
Dies erfolgt zum Zeitpunkt t2, mit dem auch den Stufen 11 und 12 der nächste Abtastwert
a2 des Eingangssignals zugeffihrt wird. Gleichzeitig wird auch die Abtast-Halte-Schaltung
30 betätigt- und überträgt das Ausgangssignal der Stufe 22, das ebenfalls noch vom
ersten Eingangssignal Abtastwert a1 abgeleitet ist und daher weiterhin so bezeichnet
wird, auf die beiden Stufen 31 und 32. Diese erzeugen wieder nach der Stufenverzögerungs
zeit die Digitalwerte d13, die die fünfte und sechste Stelle des dem Eingangsabtastwert
al zugeordneten Digitalwortes, und diese Digitalwerte werden mit dem nächsten Taktsignal
auf derTak leitung 2, d . h. zum Zeitpunkt t3, in die Schieberegisterstufen 33 übernommen,
während gleichzeitig die ersten beiden Stellen d11 des Digitalworts aus den Schieberegisterstufen
13 in die Schieberegisterstufen 14 übernommen werden. Außerdem wird zu diesem Zeitpunkt
t3 das Ausgangssignal al der Stufe 32 iiber die Abtast-Halte-Schaltung 40 auf die
Stufen 41 und 42 übertragen.
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Zum Zeitpunkt t4 werden mit dem nächsten Taktsignal auf der Taktleitung
1 die Binärwerte d12 aus den Schieberegisterstufen 23 in die Schieberegisterstufen
24 übertragen und die von den Stufen 41 und 42 erzeugten Digitalwerte d14 entsprechend
den Stellen 7 und 8 des Digitalwortes in die Schieberegisterstufen 43 übertragen.
Ferner erhalten die letzten beiden Stufen 51 und 52 über die Abtast-Halte-Schaltung
50 den vom ersten Eingangsabtastwert abgeleiteten Wert a1, während gleichzeitig
die Stufen 31 und 32 den vom zweiten Eingangsabtastwert a2 abgeleiteten Wert erhalten
und die ersten Stufen 11 und 12 den dritten Eingangssignalabtastwert a3 erhalten
Sobald nun um die Stufenverzögerungszeit nach dem Zeitpunkt t4 verzögert am Ausgang
der Stufen 51 und 52 die Digitalwerte d15 entsprechend der neunten
und
zehnten Stelle des Digitalwortes erscheinen, stehen damit alle Stellen des Digitalwortes
für den ersten Eingangsabtastwert al zur Verfügung, nämlich an den Ausgängen der
Stufen 51 und 52 sowie der Schieberegisterstufen 43, 33, 24 und 14. Da aber zumindest
einige dieser Signale mit dem nächsten Taktsignal auf der Taktleitung 2 zum Zeitpunkt
t5 wieder wechseln, nämlich die Ausgangssignale der Schieberegisterstufen 14 und
33, sind zumindest diesen Stufen noch weitere Schieberegisterstufen 15 bzw. 34 nachgeschaltet,
die diese Informationen zum Zeitpunkt t5 übernehmen, und auBerdem sind den Digitalausgängen
der Stufen 51 und 52 Schieberegisterstufen 53 nachgeschaltet, die ebenfalls zum
Zeitpunkt t5 die Digitalinformation übernehmen, so daß nun zwischen dem Zeitpunkt
t5 und t6 das gesamte Digitalwort an den parallelen Ausgängen 4 zur Verfügung steht.
Falls außerdem die in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Schieberegisterstufen 44
und 25 den Schieberegisterstufen 43 und 24 nachgeschaltet werden und deren Information
ebenfalls mit dem Taktsignal der Taktleitung 2 übernehmen, d.h. zum Zeitpunkt t5,
steht das gesamte Digitalwort an den parallelen Ausgängen 4 bis zum nächsten Taktsignal
auf der Taktleitung 2 zum Zeitpunkt t7 zur Verfügung.
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Auf diese Weise steht der umgewandelte Digitalwert, der zu dem zum
Zeitpunkt t0 abgetasteten Eingangssignalwert gehört, erst nach fünf Zeitabschnitten,
d.h. nach zweieinhalb Perioden des Taktsignals auf den Taktleitungen 1 und 2 zur
Verfügung, jedoch ist dies eine konstante Zeitverschiebung zwischen Eingangssignalabtastung
und Ausgabe des umgewandelten Digitalworts, die für alle folgenden Eingangssignalabtastwerte
konstant ist. Eine derartige Verzögerung ist in den meisten Fällen, bei denen der
Analog-Digital-Wandler nicht in einer geschlossenen Schleife liegt und somit keine
Echtzeit-Verarbeitung notwendig ist, völlig unbedeutend. Entscheidend ist vielmehr,
daß bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Folge der Eingangssignalabtastwerie,
d.h. die Abtastfrequenz des Eingangssignals, im wesentlichen nur von der Ansprechgeschwindigkeit
bzw. Einschwingzeit von zwei aufeinanderfolgenden Wandlerstufen und einer Abtast-Halte-Schaltung
abhängt, obwohl mit der beschriebenen Anordnung die Umwandlung
auf
zehn Dualstellen genau erfolgt. Dadurch können Eingangssignale mit entsprechend
hochfrequenten Anteilen noch richtig verarbeitet werden.
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Eine Erhöhung der Abtastfrequenz ist möglich, wenn die Schaltung nach
Fig. 1 so abgewandelt wird, daß Jeder Abtast-Halte-Schaltung nur eine Wandlerstufe
nachfolgt, da diese den größten Teil der gesamten Verzögerungszeit jeweils eines
Teils der Kette hervorruft. Dabei wären dann die Schieberegisterstufen 13, 14, 23,
usw. jeweils nur mit einem Speicherelement zu versehen. Bei einer solchen Abwandlung
würde dann Jedoch das erzeugte Digitalwort nur fünf Stellen umfassen. Bei einer
größeren geforderten Stellenzahl müssten dann weitere Teile, d.h. Abtast-Halte-Schaltungen
mit Jeweils nachgeschalteter Wandlerstufe, angefügt werden.
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Falls jedoch die maximal mögliche Abtastgeschwindigkeit infolge entsprechend
schnell reagierender Wandlerstufen wesentlich über dem maximal zu verarbeitenden
Frequenzantei.]. des Eingangssignals liegt, kann die für eine geforderte Stellenzahl
des Digitalworts notwendige Länge der Kette von Wandlerstufen und damit der Auf
wand dadurch kürzer gehalten werden, indem jeder Eingangssignal abtastwert die Kette
mehrmals durchläuft. Dazu wird dem Eingang 3 in Fig. 1 ein Umschalter nachgeschaltet,
der den Eingang der Abtast-Halte-Schaltung 10 abwechselnd mit diesem Eingang 3 oder
mit dem Ausgang der letzten Stufe der Kette, im dargestellten Beispiel der Stufe
52, verbindet. In diesem Falle ist es Jedoch günstiger, die Kette aus einer geraden
Anzahl von Teilen aufzubauen, da sonst der letzten Stufe noch eine weitere Abtast-Halte-Schaltung
nachgeschaltet werden müsste, damit aufeinanderfolgende, gegebenenfalls nur durch
eine oder mehrere Wandlerstufen getrennte Abtast-Halte-Schaltungen Jeweils mit verschiedenen
Taktleitungen verbunden sind und somit verhindert wird, daß die erste Stufe der
Kette über die vorgeschaltete Abtast-Halte-Schaltung das. Ausgangssignal der letzten
Stufe der Kette übernimmt, während diese letzte Stufe gleichzeitig am Eingang eine
Signaländerung erhält und somit deren Ausgangssignal
nicht konstant
ist. Ferner muß die Anzahl der jeder Stufe nachgeschalteten Schieberegisterstufen
entsprechend erhöht und mit Zwischenanzapfungen versehen werden, da 3edle Stufe
zeitlich verschoben mehrere Stellen des Digitalworts erzeugt. Außerdem muß gegebenenfalls
abhängig von der Anzahl der Stufen und der Anzahl der Durchläufe Jedes Eingangssignalabtastwerts
eine zusätzliche Abtast-Halte-Schaltung vorgeschaltet werden, um eine zeitlich gleichmäßig
verteilte Abtastung des Eingangssignals zu erreichen.
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Eine besonders einfache Wandlerschaltung ist in Fig. 5 dargestellt
und enthält nur eine einzige Wandlerstufe 95, der eine Abtast-Halte-Schaltung 93
vorgeschaltet und eine entsprechende Schaltung 97 nachgeschaltet ist. Die beiden
Abtast-Halte-Schaltungen 93 und 97 sind mit den beiden unterschiedlichen Taktleitungen
1 und 2 verbunden, die gegeneinander versetzte Taktsignale liefern, wobei der zeitliche
Abstand eines Taktsignals auf der Taktleitung 2 bis zum nächsten Taktsignal auf
der Taktleitung 1 entsprechend der Ansprechzeit der Ahtast-HaJte-Schaltung 97 kürzer
sein kann als der Abstand eines Taktsignals auf der Taktleitung 1 bis zum nächsten
Taktsignal auf der Taktleitung 2, der die Verzögerung der Wandlerstufe 95 mit berücksichtigen
muß.
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Der Abtast-Halte-Schaltung 93 ist ein Umschalter 91 vorgeschaltet,
der von einem Zähler 92 gesteuert wird, der hier beispiels weise die Taktsignale
der Taktleitung 1 als Zähltakt erhält.
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Dieser Zähler verbindet in einer Stellung, beispielsweise der Grundstellung,
den Schaltarm des Umschalters 91, der in praktischen Ausführungen selbstverständlich
elektronisch realisiert wird, mit dem Eingang 3 für das Eingangssignal, und in-einer
Anzahl folgender Stellungen, die durch die Anzahl Stellen des zu erzeugenden Digitalworts
bestimmt wird, über die Leitung 98 mit dem Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung 97,
die das Ausgangssignal der Wandlerstufe 95 im vorhergehenden Zeitabschnitt liefert.
Falls die Abtast-Halte-Schaltungen 93 und 97 keine Eingangs
- und
Ausgangsverstärker enthalten, muß in die Leitung 98 noch ein Verstärker mit der
Verstärkung 1 (Spannungsfolger) eingefügt werden Der Digitalausgang 96 der Wandlerstufe
95 führt auf ein Schieberegister 99, das mit Jedem Taktsignal auf der Taktleitung
2 den Digitalwert auf der Leitung 96 übernimmt und die vorher gespeicherten Werte
um eine Speicherstufe weiterschaltet Immer in der Stellung, in der der Zähler 92
den Umschalter 91 so schaltet, daß der Eingang 3 mit der Abtast-Halte-Schaltung
93 verbunden ist, ergibt hält das Schieberegister 99 in den einzelnen Stufen die
einzelnen Stellen des zu erzeugenden Digitalworts, die über die parallelen Ausgänge
4 des Schieberegisters 99 abgenommen werden können Falls das stellenweise seriell
erzeugte Digitalwort auch seriell verarbeitet wird, z B über einen einzigen Kanal
übertragen oder gespeichert, können die Ausgangssignale der Wandlerstufe 95 unmittel
bar verwendet werden, so daß das Schieberegister 99 ganz entfal]er kann.
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Bei der in Fig 5 dargestellten Anordnung ist die Abtastfrequenz des
Eingangs 3 ein Bruchteil der Taktfrequenz des Taktsignals au der Taktleitung 1 bzw.
2, die wiederum von der Ansprechgeschwind:gkeit der Wandlerstufe 95 abhängt. Diese
Anordnung ist daher beispielsweise für die Umwandlung niederfrequenter Audiosignale
ge.
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eignet.
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Die in Fig. 3 dargestellte Wandlerschaltung enthält drei aktive Elemente,
nämlich den Verstärker 61 mit dem Verstärkungsfaktor 2, den Vergleicher 63 und den
Subtrahierer 65. Der Ausgang des letzteren ist mit dem Eingang des Verstärkers 61
der folgenden Stufe verbunden, gegebenenfalls über eine Abtast-Halte-Schaltung,
die für die nun folgende Erläuterung Jedoch keine Rolle spielt. Der Subtrahierer
65 kann nämlich mit dem Verstärker 61 der folgenden Stufe zusammengefasst werden9
wodurch dann ein Aufbau der Wandler stufe entsteht, der in Fig 6 dargestellt ist.
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Hier ist der Verstärker 71 beispielsweise ein Operationsverstärker,
dessen nichtinvertierender Eingang das Eingangssignal der Stufe erhält. Der invertierende
Eingang des Verstärkers 71 ist über
den Widerstand 77 mit seinem
Ausgang und über den Widerstand 75 mit gleichem Wert mit dem Umschalter 67 verbunden,
der dem Umschalter 67 in Fig. 3 völlig entspricht. In der dargestellten Stellung
verbindet der Umschalter 67 das freie Ende des Widerstandes 75 mit der negativen
Referenzspannung -Ur, so daß bei einer Eingangsspannung Un = -Ur die Ausgangsspannung
U(n+1) = - Ur ist. Mit steigender Eingangsspannung steigt die Ausgangsspannung doppelt
so schnell, so daß bei einer Eingangsspannung Un = -1/2 Ur die Ausgangsspannung
den Wert U(n+1) = 0 durchläuft und der Vergleicher 73, dessen an derer Eingang hier
mit dem Bezugswert 0 verbunden ist, anspricht und ein digitales Ausgangssignal d(n+1)
abgibt. Wenn die Eingangsspannung Un bis zum Wert 0 ansteigt, steigt die Ausgangs
spannung U(n+1) bis zum Wert +Ur an.
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Wenn die Eingangsspannung Un über den Wert 0 hinausgeht, hat in der
vorhergehenden Stufe, die diesen Eingangswert liefert, der Ver gleicher angesprochen,
und er liefert dann ein digitales Ausgangssignal dn an die dargestellte Stufe, die
den Umschalter 67 betätigt und das freie Ende des Widerstands 75 mit der positiven
Referenzspannung + Ur verbindet. In diesem Fall wird bei einer Eingangsspannung
Un = 0 eine Ausgangsspannung U(n+1)= -Ur erzeugt, und das digitale Ausgangssignal
d(n+1) geht wieder auf 0 zurück. Wenn die Eingangsspannung Un nun weiter bis zum
Wert +Ur steigt, durchläuft die Ausgangsspannung U(n+1) wieder die Werte von -Ur
bis +Ur, wobei beim Nulldurchgang der Ausgangs spannung der Vergleicher 73 wieder
anspricht und ein positives digitales Ausgangssignal d(n+1) erzeugt, ergibt sich
somit der gleiche Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung wie
in Fig. 4 dargestellt, wobei die Kurve durch die Wahl der mit dem Umschalter 67
verbundenen Referenzspannungen lediglich so verschoben ist, daß sie symmetrisch
zum Ursprung liegt.
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In der Schaltung nach Fig. 6 ist der dargestellten Wandlerstufe eine
Abtast-Halte-Schaltung 83 nachgeschaltet, an deren Ausgang die folgende, gestrichelt
angedeutete Stufe angeschlossen ist, und in diesem Falle muß dem Digitalausgang
d(n+1) auch eine digitale Spe:icherstufe 81 nachgeschaltet werden, die mit dem gleichen
Taktsignal der hier angenommenen Taktleitung 1 den digitalen Signalwert übernimmt,wie
die Abtast-Halte-Schaltung 83
den analogen Signalwert U(n+1) übernimmt,
da nach dem Öffnen des Schalters in der Abtast-Halte-Schaltung 83, wenn der bernommene
analoge Signalwert in der folgenden Stufe verarbeitet wird, der darüber dargestellten
Stufe ein neuer analoger Signalwert zugeführt wird, der das digitale Ausgangssignal
d (n+1) verändern kann. Da jeder Wandlerstufe, wie in Fig. 1 dargestellt ist, Jedoch
ohnehin eine Schieberegisterstufe nachgeschaltet ist, kann der Digital speicher
81 somit die erste Stufe des Jeweils nachgeschalteten Schieberegisters sein, das
auch mit dem gleichen Taktsignal wie in Fig. 6 dargestellt geschaltet wird, so daß
kein zusätzlicher Aufwand hierdurch entsteht.
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Bei diesem Aufbau der Wandlerstufen sind zwei Eingänge vorhanden,
nämlich der Eingang für den analogen Eingangssignalabtastwert Un und der Eingang
für das Digitalsignal dn, so daß bei der ersten Wandlerstufe in der Kette der Digitaleingang
auf einen festen Wert gelegt werden muß. Wenn nur positive Eingangssignale zu verarbeiten
sind, erhält der Digitalsignaleingang den logischen Wert "1" so daß der Umschalter
67 das eine Ende des Widerstands 75 ständig mit der positiven Referenzspannung +
Ur verbindet, denn in diesem Falle durchläuft die Ausgangsspannung U (n+1) den Bereich
von - Ur bis + Ur, wenn die Eingangsspannung Un den Bereich von 0 bis + Ur durchläuft.
In diesem Falle können die Referenzspannungen der ersten Stufe in gleicher Weise
angeschlossen werden wie die folgenden Stufen. Falls Jedoch sowohl positive wie
negative Eingangssignalwerte verarbeitet werden sollen, muß der Anschluß des Umschalters
67, der bei dem gewählten Signal dn am Digitalsignaleingang mit dem Widerstand 75
verbunden ist, mit 0 verbunden werden. In diesem Falle können Eingangssignale im
Bereich von - 1/2 Ur < Un / + 1/2 Ur verarbeitet werden. Das digitale Ausgangssignal
d(n+1) der ersten Stufe gibt dann das Vorzeichen des Eingangssignals an.
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Die vorstehend beschriebenen Analog-Digital-Wandler können auch ohne
wesentliche Änderungen als Digital-Analog-Wandler betrieben
werden.
Das Eingangssignal Un der ersten Stufe der Kette ist in diesem Falle O Volt, und
die beiden mit dem Umschalter 67 verbundenen Anschlüsse erhalten 0 Volt für den
Anschluß, der beim Signalwert "O" am Digitaleingang dn mit dem Subtrahierer 65 in
Fig. 3 bzw. mit dem Widerstand 75 in Fig. 6 verbunden ist, und der andere Eingang
erhält eine negative Spannung von der Größe des kleinsten Quantisierungsschrittes
der Ausgangsspannung. Falls das zugeführte Digitalwort auch eine Vorzeichenstelle
enthält und so mit negative Ausgangsspannungen erzeugt werden sollen, steuert die
Vorzeichenstelle das Vorzeichen der Spannung für den kleinsten Quantisierungsschritt
für alle Stufen gleichzeitig.
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Die einzelnen Stellen des umzuwandelnden Digitalworts steuern in den
einzelnen Wandlerstufen die Umschalter 67 direkt, wobei die Ansteuerung dieser Umschalter
von den Vergleichern 63 bzw. 73 unterbrochen werden muß, was durch sehr einfache
logische VerknUpfungsschaltungen erfolgen kann. Auch in diesem Falle tritt eine
konstante und damit in den meisten Fällen unschädliche Verzögerung zwischen dem
zugeführten Digitalwort und dem daraus erzeugten Analogwert auf. Um das umzuwandelnde
Digitalwort parallel zuführen-zu können, müssen die in Fig. 1 dargestellten Schieberegister
so über die Anschlußstelle der einzelnen Wandlerstufen hinaus verlängert werden,
daß alle Schieberegister die gleiche Stufenzahl aufweisen9 wobei den so entstandenen
neuen Eingängen aller Schieberegister parallel das umzuwandelnde Digitalwort zugeführt
wird. Wenn der Aufbau der Wandlerstufe nach Fig. 6 verwendet und der Ausgang der
der Wandlerstufe unmittelbar nachgeschalteten Schieberegisterstufe mit dem Digitaleingang
der nächsten Wandlerstufe verbunden ist, muß nur die Verbindung zwischen dem Ausgang
des Vergleichers 73 und der zugehörigen Schieberegisterstufe unterbrochen werden.
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Die maximale Folge der zugeführten Digitalworte und damit der höchste
Frequenzanteil im umgewandelten Analogsignal wird auch in diesem Falle nur durch
die gesamte Verzögerungszeit der Stufen, die Jeweils in einem Teil der Kette zusammengefasst
sind, bestimmt.
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Bei relativ niederfrequenten Signalen mit langsamerer Folge der Digitalwörter
kann auch hier das analoge Signal mehrfach
in der Kette umlaufen,
indem der Eingang der Kette abwechselnd mit dem Bezugswert 0 oder mit dem Ausgang
der Kette verbunden wird0 Insbesondere ist auch die Anordnung nach Fig0 5 zur Digital-Ånalog-Wandlung
geeignet, wobei auch in diesem Falle das umzuwandelnde Digitalwort seriell über
die Leitung 96 zugeführt werden kann0
L e e r s e i t e