DE3124333A1

DE3124333A1 - "digital/analog-umsetzer"

Info

Publication number: DE3124333A1
Application number: DE19813124333
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan van de 5621 Eindhoven Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-07-09
Filing date: 1981-06-20
Publication date: 1982-04-22
Also published as: GB2080059B; NL8003948A; CA1175943A; GB2080059A; ES503717A0; ES8204894A1; IT1168138B; DE3124333C2; FR2486734A1; JPS6412420B2; JPS5748827A; HK64284A; US4703310A; IT8122769A0; FR2486734B1

Description

N.V. Philips' eiosilcanpeniabrieken, Bndiiovei: i . : !■■..:■-: 3 1 2 A 3 3

PHN 9788 -⁴^ 11 .4. 1981

Digital/Analog-Umsetzer

Die Erfindung bezieht sich auf einen. Digital-Analog-Umsetzer, der enthält:

eine Stromquellenschaltung zum Erzeugen einer Anzahl von Strömen im wesentlichen gleicher Stärke,.

eine Permutationsschaltung, mit deren Hilfe in einem zyklisch permutierenden Muster diese Ströme zu Ausgängen dieser Permutationsschaltung geschaltet werden, so dass an diesen Ausgängen eine Anzahl von Strömen mit einem genauen gegenseitigen Gleichstromstärkeverhältnis und mix ^⁰ einer Wechselstromfehlerkomponente, die durch die Ungleichheit in den von der Stromquellenschaltung erzeugten Strömen bestimmt wird, zur Verfügung stehen,

einen Eingang zum Empfangen eines digitalen Eingangssignals,

einen Ausgang, dem ein durch das digitale Eingangssignal bestimmtes analoges Ausgangssignal entnommen werden kann,und

.eine Kombinationsschaltung, mit deren Hilfe als Funktion des digitalen Eingangssignals das analoge Ausgangssignal aus den an den Ausgängen der Permutationsschaltung zur

Verfügung stehenden Strömen zusammengesetzt wird.

In einem derartigen Digital/Aiialog-Umsetzer wird das aus der US-PS 3 982 172 und der US-PS k 125 8U3 bekannte dynamische Permutationsprinzip benutzt, bei dem Ströme mit einem genauen gegenseitigen Stärkeverhältnis

dadurch erzeugt werden, dass im wesentlichen gleiche Ströme gemäss einem zyklisch permutierenden Muster zu Ausgängen geschaltet werden, wodurch die relative Abweichung jedes der Ströme, von denen ausgegangen wird, in bezug auf einen Mittelwert mit gleicher Häufigkeit pro Zyklus in jedem der Ausgangsströme erscheint, wodurch jeder der Ausgangsströme eine Gleichstromkomponente aufweist, die ein sehr genaues Stärkeverhältnis zu dem Mittelwert der Ströme, von denen ausgegangen wird, und somit zu jeder der Gleichstrom—

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komponenten der anderen Ausgangsströme aufweist. Die gegenseitigen Abweichungen der Ströme, von denen ausgegangen wird, erscheinen als Wechselstromkomponente in diesen Ausgangsströmen, wobei diese Wechselstromkomponente ab— '. hängig von der Permutationsfrequenz in bezug auf die höchste Signalfrequenz und abhängig von dem gegenseitigen Stärkeverhältnis der Ströme, von denen ausgegangen wird, gegebenenfalls störend sein kann.

In den Fällen, in denen diese Wechselstromkomponenten störend sind, können sie dadurch weggefiltert werden, dass jedem Ausgang der Permutationsschaltung ein Filterkondensator zugeordnet wird. Dadurch kann ohne Schwierigkeiten mit Hilfe der verbleibenden Gleichströme eine Digital/Analog-Umsetzung mit der Kombinationsschaltung durchgeführt werden. Ein Nachteil einer derartigen Filterung ist die Verwendung der genannten Kondensatoren, z.B. 14 solcher Kondensatoren für einen 14-Bit-Digital/Analog-Umsetzer, die in den meisten Anwendungen, z.B. Anwendungen in der Audiotechnik, extern an einer integrierten Schaltung,

^O in der ein solcher Digital/Analog-Umsetzer angeordnet ist, angebracht werden müssen, was dann eine Vielzahl zusätzlicher Anschlusstifte erfordert.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Digital-Analog-Umsetzer anzugeben, in dem diese störenden Wechsel-Stromkomponenten beseitigt werden, ohne dass den Ausgängen der Permutationsschaltung Kondensatoren zugeordnet werden.

Die Erfindung ist dazu gekennzeichnet durch

eine Ausmittelschaltung, mit deren Hilfe jeweils über eine ■ Ausmittelperiode, die gleich der genannten Zykluszeit oder einem ganzen Vielfachen derselben ist, das Ausgangssignal der Kombinationsschaltung ausgemittelt wird,

eine Abtastschaltung, mit deren Hilfe jeweils am Ende einer Ausmittelperiode das Ausgangssignal dieser Ausmittelschaltung abgetastet wird, und

eine Synchronisationsschaltung zum Synchronisieren der Ausmittelschaltung und der Permutationsschaltung, derart, dass die genannte Ausmittelperiode der genannten Zykluszeit oder einem ganzen Vielfachen derselben entspricht,und

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zum Synchronisieren der Kombinationsschaltung und der Ausmittelschaltung, derart, dass die Kombinationsschaitung während der Ausmittelperiode ihr© Lage nicht ändert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass - obgleich beim ersten Anblick Filterung am Ausgang der Kombinationsschaitung nicht möglich erscheint, weil Kreuzmodulationskomponenten durch diese Wechselstromkomponenten und die Umschaltungen der Kombinationsschaltung innerhalb des Signalspektrums entstehen können ~ Beseitigung

W dieser Wechselstromkomponenten durch das Ausmitteln des Ausgangssignals der Kombinationsschaltung über eine Periode, die entweder gleich der Permutationszykluszeit oder gleich einem ganzen Vielfachen derselben ist, möglich ist, wobei sich dann die Lage der Kombinationsschaltung innerhalb

^ dieser Periode nicht ändern darf.

. Eine Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch

gekennzeichnet, dass die Ausmittelschaltung ein Integrator mit einem Rücksetzschalter ist, der jeweils am Ende einer Ausmittelperiode zurückgesetzt wird.

Diese Ausgestaltung kann derart ausgebildet sein, dass der Integrator einen Operationsverstärker mit einer ersten Kapazität zwischen dem Ein- und dem Ausgang enthält, wobei ein Rücksetzschalter diese erste Kapazität überbrückt, und wobei eine zweite Kapazität mit einer Wechselschaltung zum Verbinden dieser Kapazität mit dem Ausgang der Kombinationsschaltung während der Ausmittelperiode und zum Verbinden dieser Kapazität mit dem Eingang des Verstärkers jeweils am Ende einer Ausmittelperiode vorhanden ist. .

Der Digital/Analog-Umsetzer nach der Erfindung zur Anwendung in einem Analog/Digital—Umsetzer, wobei ein analoger Signalstromeingang mit dem Ausgang der Kombinationsschaltung verbunden ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ausgang der Kombinationsschaltung ein InLegrationskondensator mit einem zu diesem parallelgeschalteten Rücksetzschalter verbunden und dieser Kondensator auch mit dem Eingang eines jeweils am·Ende einer Ausmittelperiode getakteten Komparators verbunden ist, dessen Ausgang

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einen digitalen Signalgenerator steuert, der ein digitales Signal an den Eingang des Digital/Analog-Umsetzers liefert. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1.. das Prinzipblockschaltbild eines Digital/-Analog—Umsetzers nach der Erfindung,

Fig. 2 einige Signalformen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Umsetzers nach Fig. 1, Fig. 3 eine Ausführungsform eines Analog/Digital-Umsetzers nach der Erfindung mit einer im Detail dargestellten Ausführung der Ausmittelschaltung, und

- Fig. k schematisch die Anwendung eines Digital/-Analog-Umsetzers nach der Erfindung in einem Analοg/Digital-Umsetzer.

Fig. 1 zeigt das Prinzipblockschaltbild eines Digital/Analog-Umsetzers nach der Erfindung, wobei Fig. 2 oLnLge Signal formen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Umsetzers nach Fig. 1 darstellt.

Der Umsetzer enthält einen Generator zum Erzeugen einer Anzahl von Strömen mit einem genauen gegenseitigen Stärkeverhältnis - im vorliegenden Beispiel vier Ströme i., i„, i_ und i. mit z.B. den binär gewichteten Werten I_Q, I_Q ,^, I_Q ,^ bzw. I /_g-, wie er z.B. in der US-PS 3 982 172 und der US-PS h 125 803 beschrieben ist, wobei beiperkt wird, dass sowohl eine einfache Stufe als auch eine Kaskade derartiger bekannter Stufen (Fig. 6 der US-PS 3 982.172) angewandt werden kann. Der Generator enthält im allgemeinen eine mehrfache Stromquelle 1, die eine Anzahl im wesentlichen gleicher Ströme an eine Perniutationsschaltung 2 liefert, die unter Steuerung einer Schaltung 3> z.B. eines Schieberegisters, ein derartiges sich zyklisch wiederholendes Verbindungsmuster erzeugt, dass an Ausgängen derselben die gewünschten Ströme i_1f i„, -i„ und i. mit dem gewünschten gegenseitigen StärkeverhäLtnis zur Verfügung stehen. Dies ist ausführlich in den genannten Patentschriften beschrieben. Auf diese Weise werden die Ströme I₁ bis i. erhalten, von denen die Ströme L·

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und i. sowie ein Taktsignal c , das die Schaltung 3 steuert, in Fig. 2 dargestellt sind. Die Ströme wiederholen sich im vorliegenden Beispiel periodisch über vier Schritte der Permutationsschaltung 2, wobei diese vier Schritte eine Zykluszeit T definieren. Jeder der Ströme weist eine gewünschte Grleichstromstärke auf, der eine Wechselstromkomponente überlagert ist, die durch die gegenseitigen Abweichungen der von der Stromquelle 1 gelieferten Strome bestimmt wird, wobei diese Wechselstromkomponente über· die

^ Zykluszeit T einen Mittelwert gleich Null aufweist.

Mit Hilfe einer solchen binäxⁿ gewichteten Reihe von Strömen kann eine Digital/Analog—Umsetzung durchgeführt werden. Dazu ist eine Kombinationsschaltung k vorhanden, die auf den Befehl einer Steuerschaltung 5₍ deren digitales

'5 Eingangssignal über den Eingang 8 zugeführt wird, eine Anzahl der Ströme I₁ bis ii zu dem Ausgang 12 weiterschaltet, an dem somit ein analoger Ausgangsstrom i erscheint. · In Fig. 2 ist dieser Strom i dargestellt, wenn nachein-

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ander zu den Zeitpunkten t , t.. und t„ die digitalen Signale 1001 (die zugehörige Lage der Kombinationsschaltung 4 zeigt Fig. i), 1010 und 1000 umgesetzt werden. Dabei ist angenommen, dass die Steuerschaltung 5 von einem Taktsignal c_o derart gesteuert wird, dass die Kombinationsschal tuns 4 nur am Anfang jeweils eLnos Zyklus, also im vorLiefveinlun " Beispiel zu den Zeitpunkten L , L-, L₀, t„ ihre Lag υ "uidiirii kann, so dass die Fehlerkomponente im Ausgangssignal l jeweils über einen Zyklus T einen Mittelwert gleich XuIl aufweist.

Das Ausgangssignal i wird einer Ausmittelschaltung 6 zugeführt, die im vorliegenden Beispiel annahmeweise ein Integrator ist, der jeweils nach einem Zyklus T auf den Befehl eines Taktsignals c„ auf einen Anfangswert zurückgesetzt wird. Das Ausgangssignal i dieser Ausmittelschalfcung 6 weist dann oüien Hägezahnförmigen VerLaiil nach

Fi₁^, 2 mi L einer der Eiiil'uclüiu L I. halber nichL dar,", es-. i..<; 1 1 .t.<;n Welligkeit infolge der Fehlerkomponente auf und haL jeweils nach einem Zyklus T einen Wert, als ob nur die Gleichstromkomponente (9/8 I„, 10/8 I„ bzw. I im vorliegenden Beispiel.)

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integriert wäre, weil die Fehlerkomponente über den Zyklus T einen Mittelwert gleich Null aufweist. Am Ende jedes Zyklus, also zu den Zeitpunkten t , t , t_, t_, wird der Integrator ό zurückgesetzt und gerade vor diesem Zurücksetzen auf den Befehl eines Taktsignals c. mit Hilfe einer Abtast- und Halteschaltung 7 der Endwert jedes Integrationszyklus abgetastet und festgehalten. Das Ausgangssignal i am Ausgang 9 entspricht dann dem Signal i ohne Fehlerkomponente

3.

und ist über einen Zyklus T verschoben.

Ein Taktgenerator 11 liefert - z.B. mit einem Oszillator 10 als Referenz - die unterschiedlichen Taktsignale C₁ bis Cr. Es versteht sich, dass in der Praxis zwischen den Signalen c. bis c,, die in Fig. 2 als gleichzeitig auftretend dargestellt sind, nötigenfalls Verzögerungen herbeiführen werden müssen, z.B. um sicherzustellen, dass die Abtastung vor dem Zurücksetzen der Ausmittelsolial turifj 6 stattfindet. Nötigenfalls kann dazu zwischen die Integrationszyklen eine Wartezeit von z.B. einer Periode des Taktsignals C₁ eingeführt werden. Auch kann der Genauigkeit halber, wenn die' zur Verfügung stehende Bandbreite es gestattet, über mehrere Zyklen ausgemittelt werden, wobei dann auch die digitale Dateneingabe über die Schaltung 5 nur einmal während mehreren Zyklen stattfinden kann, was auch für die Abtastung zutrifft.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Digital/-Analog-Umsetzers nach der Erfindung mit einem im Detail dargestellten Beispiel einer Ausini t telschal tung 6. Darin ist als Block 13 der Teil der Schaltung nach Fig. 1 mit den Schaltungen 1,2,3,4 und 5 dargestellt. Die Ausmittelschaltung 6 enthält einen Operationsverstärker 18 mit einem Kondensator 16 zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang, wobei dieser Kondensator 16 von einem Rücksetzschal.ter 17, der auf den Befehl des Taktsignals c, betätigt wird, überbrückt ist. Der Ausgang 12 des eigentlichen Digital/Analog-Umsetzers 13 ist mit dem einen Anschluss eines Umschalters 15, der vom Taktsignal c„ gesteuert wird, verbunden; der andere Anschluss dieses Schalters ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 18 und der

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gemeinsame Anschluss mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 18 und mit Masse verbunden. Die Schalter 15 und 17 sind in der Praxis meistens Schalttransistoren, wie Feldeffekttransistoren.

Wahrend einer Ausmittelperiode T befinden sich die Schalter 15 und 17 in der dargestellten Lage. Der

Ausgangsstrom i des Digital/Analog—Umsetzers 13 lädt dann a

den Kondensator 14 auf, wobei die vorhandene Wechselstrom— komponente beim Aufladen während eines Zyklus T beseitigt 1" wird. Am Ende jeweils eines Zyklus schalte* der Schalter um und öffnet sich der Schalter 17. Durch die Wirkung des Operationsverstärkers 18 wird die Ladung, die auf dem Kondensator 14 vorhanden ist, auf den Kondensator 16 übertragen, und am Eingang der Abtastschaltung 7 liegt eine

^ Spannung, die ein Mass für den Mittelwert des Signals i

über einen Zyklus T ist. Nachdem ein Abtastwert von der Abtastschaltung 7 geliei'ox'L 1st, schalten die Schalter und 17 wieder in die dargestellte Lage um und wird der Kondensator 16 entladen.
Fig. h zeigt die Anwendung eines Digital/-Analog-Umsetzers nach der Erfindung in einem Analog/Digital Umsetzer nach -dem Prinzip der schrittweisen Approximation, das darauf beruht, dass der Digital/Analog-Umsetzer 13 am Eingang 8 ein digitales Signal empfängt und das daraus gebildete analoge Signal am Ausgang 12 mit dem umzusetzenden analogen Signal X mit Hilfe eines Komparators

verglichen wird, wonach, abhängig von dem Vergleich, über einen Digitalsignalgenerator 21 das digitale Signal am Eingang 8 geändert und dieser Vorgang nacheinander eine Anzahl Male wiederholt wird, bis das digitale Signal am Eingang 8 möglichst mit dem analogen Signal I übereinstimmt, wobei dieses digitale Signal dann den digitalen Wert des analogen Signals I darstellt.

3.

Das Prinzip nach der Erfindung wird in dieser Ausführungsform dadurch angewendet, dass am Eingang <le.s Komparators 20 uino IntegrLerte Kapazität 21 vorhängen int, die ill L i. ( t< 1 μ «» 1 lion voll 11 mn TnU I :> i i;u. ι I c ,", ι·:ι I ciiuj· I ι·ιι . ·< 11.1 Ι ■■· ters 22 nach jeweils einem Zyklus T entladen wird. Dem

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Komparator 20 wird dabei das Taktsignal c. zugeführt, um jeweils nur am Ende einer Ausmittelperiode einen Vergleich, durchzuführen.

Die Ausmittelperiode braucht nicht genau - wie in Fig. 2 dargestellt - zu dem Permutationszyklus gleichphasig zu sein. Die einzige Bedingung ist, dass die Ausmittelperiode eine gleiche Dauer wie der PermutationszykluH oder ein fjanzow Vielfaches desselben aufweist.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsformen. Die Ausführungen einer Ausmittelschaltung, einer Abtastschaltung u.dgl. beruhen als solche auf bekannten Techniken.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Digital/Analog—Umsetzer zum Umsetzen eines digitalen Eingangs signals in ein durch das' digitale Eingangssignal bestimmtes analoges Ausgangssignal, mit einer Stromquellenschaltung zum Erzeugen einer Anzahl von Strömen im wesentlichen gleicher Stärke,

einer Permutationsschaltung, die in einem zyklisch permutierenden Muster dieser Ströme zu Ausgängen dieser Permutationsschaltung schaltet, wodurch an diesen Ausgängen eine Anzahl von Strömen mit einem genauen gegenseitigen Gleich— Stromstärkeverhältnis und mit einer Wechselstromfehlerkomponente, die durch die Ungleichheit in den von der Stromquellenschaltung erzeugten Strömen bestimmt wird, zur Verfügung stehen, und

einer Kombinationsschaltung, die als Funktion des digita— len Eingangs signals das analoge Ausgangs signal aus den an den Ausgängen der Permutationsschaltung zur Verfügung stehenden Strömen zusammensetzt, gekennzeichnet durch

eine Ausmittelschaltung, die jeweils über eine Ausmittelperiode, die gleich der genannten Zykluszeit oder einem ganzen Vielfachen derselben ist, das Ausgangssignal der Kombinationsschaltung ausmittelt,

eine Abtastschaltung, die jeweils am Ende einer Ausmittelperiode das Ausgangssignal dieser Ausmittelschalt.ung abtastet, und

eine Synchronisationsschaltung zum Synchronisieren dex^ Ausmittelschaltung mit der Permutationsschaltung derart, dass die Ausmittelperiode der Zykluszeit oder einem ganzen Vielfachen derselben entspricht, und zum Synchronisieren der Kombinationsschaltung mit der Ausmittelschaltung derart, dass die Kombinationsschaltung während der Ausmittelperiode ihre Lage nicht ändert.
2. Digital/Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Ausmittelschaltung ein Integrator

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mit einem Rücksetzschalter ist, der jeweils am Ende einer Ausmittelperiode diesen Integrator zurücksetzt.
3. Digital/Analog-Umsetzer nach Anspruch. 2, dadurch

gekennzeichnet, dass der Integrator einen Operationsver-.stärker mit einem ersten Kondensator zwischen dem Ein- und dem Ausgang enthält, dass ein Rücksetzschalter diesen ersten·Kondensator überbrückt und dass ein zweiter Kondensator mit einem Umschalter zum Verbinden dieses Kondensators mit dem Ausgang der Kombinationsschaltung während der Ausmittelperiode und zum Verbinden dieses Kondensators mit dem Eingang dieses Verstärkers am Ende jeweils einer Ausmittelperiode vorhanden ist.

'■i. Digital/Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, der

in einem Analog/Digital-Umsetzer verwendet ist, wobei ein

¹^ analoger Signalstromeingang mit dem Ausgang der Kombinationsschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ausgang der Kombinationsschaltung ein Inte— •grationskondensator mit zu diesem parallel geschaltetem Rücksetzschalter verbunden und dieser Kondensator weiter mit dem Eingang eines jeweils am Ende einer Ausmittelperiode getakteten Komparators verbunden ist, dessen Ausgang einen digitalen Signalgenerator steuert, der ein digitales Signal an den Eingang des Digital/Analog-Umsetzers

liefert.
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