DE3216378A1

DE3216378A1 - Schaltungsanordnung zur umsetzung eines seriellen bitstroms in eine analoge darstellung einer vom bitstrom bestimmten wellenform

Info

Publication number: DE3216378A1
Application number: DE19823216378
Authority: DE
Inventors: Bruce Karl 97222 Milwaukie Oreg. Baur; John Robert 97013 Canby Oreg. Ollis
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1981-05-11
Filing date: 1982-05-03
Publication date: 1982-11-25
Also published as: US4430641A; FR2505580A1; GB2098421A; GB2098421B; CA1181863A; NL8201309A; JPS57186827A; JPS6348454B2; DE3216378C2

Description

STRASSB & STOFFREGEN

Patentanwälte · European Patent Attorneys

Dipl.-Ine. Joachim Streeee, Mftnohen · Dlpl.-Phy·. Dr. Hana-Herbert Stoffregen, Hanau
Zweibrüokunetrnüe IB ■ D-SOOO Münoben 8 (Qeffenftbor dem Patentamt) · Telefon (089) 22 2B 86 . Telex B 22 004

Tektronix, Inc. München, 3. Mai 1982

Beaverton, Oregon 97077 (V.St.A.) e-ks 14 051

Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines seriellen

Bitstroms in eine analoge Darstellung
einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines seriellen Bitstroms in eine analoge Darstellung einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform.

Mit dem Gegenstand der Erfindung werden Mittel verfügbar gemacht, um die Wirkung unerwünschter Auslenkungen oder Abweichungen des Ausgangssignals von Digital-Analog-Umsetzern zu minimisieren.

Es ist bekannt, daß Digital-Analog-Umsetzer (D/A-Umsetzer) gewöhnlich aus Fünktionsgruppen bestehen, wobei jede Funktionsgruppe von einer bestimmten Teilmenge der Bits innerhalb eines digitalen Eingangssignals gesteuert wird. Beispielsweise kann ein 12-bit D/A-Umsetzer in vier Funktionsgruppen aufgeteilt sein, von denen jede von drei Bits des Eingangssignals gesteuert wird. Wenn sich das Eingangssignal ändert, treten Änderungen im Ausgangssignal jeder betroffenen Funktionsgruppe auf. Das Ausgangssignal des D/A-Umsetzers ist die zusammengesetzte Summe der Ausgangssignale jeder Funktionsgruppe. In idealer Form liegt das Ausgangssignal des D/A-Umsetzers als eine Reihe von analogen. Sprungfunktionen vor, deren Größen und Richtungen eine Funktion der Änderungen des digitalen Eingangssignals sind.

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τ.

Ol Wie ebenfalls bekannt ist, treten im Ausgangssignal bedeutsame Auslenkungen (Spitzen, Zacken) als Antwort auf bestimmte Änderungen des Eingangssignals auf. Diese Auslenkungen - das Ergebnis von Verzögerungen, die den D/A-Umsetzerschaltungen anhaften, von nicht synchronen Schaltvorgängen an internen Stromquellen und von anderen bekannten Ursachen - sind besonders ausgeprägt an Punkten von Hauptübergängen. Unter Hauptübergang ist ein Wechsel im Eingangssignal zu verstehen, der den D/A-Umsetzer zu einer Umschaltung von einer internen Funktionsgruppe auf eine andere veranlaßt. Unter der Voraussetzung eines linearen Zusammenhangs zwischen den Eingangsbits und den D/A-Umsetzerfunktionsgruppen würde in dem oben erwähnten Beispiel ein Hauptübergang auftreten, wenn das Eingangssignal von 0111p zu 1000p (Deaktivierung der ersten Funktionsgruppe, Aktivierung der zweiten Funktionsgruppe) oder in umgekehrter Richtung von OQlOOO₂ zu 00011I₂ (Deaktivierung der zweiten Funktionsgruppe, Aktivierung der ersten Funktionsgruppe) oder zwischen irgendwelchen Werten wechselt, die eine bestimmt^ D/A-Umsetzerfunktionsgruppe deaktivieren, während zugleich eine andere Funk-· tionsgruppe aktiviert wird. Im allgemeineren Fall, bei dem jedes Eingangsbit eine Ein-Bit-Funktionsgruppe steuert, findet ein Worst-Case-Ubergang dann statt, wenn ein Bit in einer Richtung gleichzeitig mit den übrigen Bits geändert wird, die sich in der anderen Richtung ändern, beispielsweise wenn das Eingangssignal von 01111111 auf 1000000O₂ umschaltet. Die Wirkung ist geringer, wenn weniger Bits umgeschaltet werden. Obwohl die so erzeugten Auslenkungen von ziemlich kurzer Dauer sind in der Größenordnung von einigen Hundert Nanosekunden oder weniger - können sie sich in jedem Fall doch über verschiedene Zyklen eines sich schneller ändernden Eingangssignals erstrecken. Beim Einsatz für graphische Dar-Stellungen, wo D/A-Um^tzer beispielsweise zum kalli-

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Ol graphischen Betrieb eines Elektronenstrahls in einer Kathodenstrahlröhre verwendet werden, sind solche Auslenkungen als Nichtlinearitäten der Strahlbewegung und Ungleichförmigkeiten in der Strahlintensität bemerkbar.

Bekannte Versuche zur Beseitigung oder Minimalisierung unerwünschter Auslenkungen in D/A-Umsetzer-Ausgangssignalen umfassen sowohl die Verwendung einer linearen Filterung als auch von Abtast- und Speicher-Techniken. Obwohl die lineare Filterung die Amplitude der Auslenkung vermindert - durch Integration über einen längeren Zeitraum verkleinert sie nicht die Auslenkungsenergie. Abtast- und Speichertechniken sind zwar bei niedrigen Eingangsraten befriedigend, jedoch sind sie bei sehr hohen Raten schwierig zu realisieren und erzeugen oft ihre eigenen- Rauschkomponenten und Signalauslenkungen.

Ein anderer bekannter Versuch, das Problem unannehmbarer Auslenkungen in einem D/A-Umsetzer-Ausgangssignal zu lösen, betrifft das von Rieger et al. in dem US-Patent 4 163 948 offenbarte nichtlineare Filter. Anmelder dieses Patents ist die Tektronix Inc., die Anmelderin der vorliegenden Erfindung. Unter Verwendung von slew-rate-Techniken (Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeits-Techniken) beseitigt das Filter von Rieger et al. alle Auslenkungen einer bestimmten Art und Teile anderer Auslenkungen. Es ist jedoch weniger geeignet Auslenkungen, die sich Über mehr als eine Änderung des Eingangssignals erstrecken, hinreichend zu behandeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines seriellen Bitstroms in eine analoge Darstellung einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform zu entwickeln, die frei von unerwünschten kurzzeitigen Auslenkungen und möglichst unbeeinflußt von unerwünschten länger andauernden Auslenkungen ist.

.9.

Ol Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen zum Empfang eines Eingangsbitstroms, der für eine Eingangswellenform repräsentativ ist und der eine vorher bestimmte maximale Bitrate hat, sowie auf den Eingangsbitstrom ansprechende Einrichtungen zur Erzeugung eines der Größe der Eingangswellenform entsprechenden digitalen Signals vorgesehen sind, das von einem Digital-Analog-Umsetzer in eine entsprechende analoge Darstellung umgewandelt wird, daß an den Digital-Analog-Umsetzer ein slew-rate-Filter zum Filtern des analogen Signals angeschlossen ist, dessen Ausgangsspannungs-Änstiegsgeschwindigkeit wesentlich kleiner als die maximale Bitrate des Eingangsbitstroms ist, daß eine auf den Eingangsbitstrom ansprechende Ladungspumpe vorgesehen ist, die ein der Richtung der digitalen Wellenform entsprechendes Ausgangssignal erzeugt und daß Einrichtungen für die Vereinigung des Ausgangssignals des slew-rate-Filters und des Ausgangssignals der Ladungspumpe zu einer analogen Darstellung der Eingangswellenform vorhanden sind.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Schaltung und ein Verfahren zur Vereinigung der Vorteile einer aberrationsfreien Ladungspumpe und eines Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeitsfilters gerichtet, um ein digitales Eingangssignal in eine genaue analoge Darstellung umzuwandeln. Im folgenden wird auch der im Deutschen gebrauchte Ausdruck slew-rate-Filter verwendet. Insbesondere enthält die Schaltung der vorliegenden Erfindung einen Verstärker mit begrenztem Hub und eine Ladungspumpe, die zu einer Einheit über einen beiden gemeinsamen Integrator vereinigt sind.

Das Eingangssignal zum Verstärker kommt von einem Digital-Analog-Umsetzer (D/A-Umsetzer) mit Stromausgangs-Signalen; und das Eing*igssignal der Ladungspumpe kommt

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Ol von einer Quelle von Aufwärts- und Abwärts-Pumpsignalen, die mit dem Eingangssignal des D/A-Umsetzers synchronisiert sind.

Der Verstärker und der Integrator bilden ein slew-rate-Filter, während die Ladungspumpe und der Integrator einen Digital-Analog-Umsetzer mit offener Schleife bilden, wobei die letztere Kombination manchmal zwanglos als "Eimer" und "Schöpflöffel" bezeichnet wird. Die Beaufschlagung der Ladungspumpe und des Integrators mit einer Reihe von Einheitsschritt-Aufwärts- Abwärts-Pumpsignalen und mit einem zugeordneten Taktsignal erzeugt ein auslenkungsfreies analoges Ausgangssignal, das für die akkumulierten Einheitsänderungen repräsentativ, jedoch immer noch empfänglieh für Driften aufgrund der offenen Schleife ist. Die Beaufschlagung des Verstärkers und des Integrators mit dem Ausgangssignal eines herkömmlichen D/A-Umsetzers erzeugt ein Ausgangssignal, das eine genaue Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzte Darstellung des digitalen Eingangssignals, aber auch empfänglich für eine Verschlechterung durch Langzeitauslenkungen ist. (Unter Kurzzeit-AusLenkung wird hierbei eine Auslenkung verstanden, die eine hinreichend kurze Dauer hat, um innerhalb eines Einheitszeitschritts durch herkömmliche slew-rate-Techniken beseitigt zu werden. Eine Langzeit-Auslenkung ist eine Auslenkung von längerer Dauer.)

Durch die Vereinigung der beiden Arbeitsweisen über den gemeinsamen Integrator und durch die Verminderung der slew-rate, um die Langzeit-Auslenkungen eirizufangen, wird eine Schaltung geschaffen, die ein Ausgangssignal erzeugen kann, das im wesentlichen frei von Kurzzeit-Auslenkungen und relativ unbeeinflußt von Langzeit-Auslenkungen ist. Das Ergebnis ist im wesentlichen ein von einer Ladungspumpe beaufschlagter Integrator in Rückkopplungs-

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Ol beziehung mit einem Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzten D/A-Umsetzer. Einheitsänderungen des Ausgangssignals sind eine Funktion von Stromimpulsen, die von der Ladungspumpe hervorgerufen und vom Integrator integriert werden, während die Langzeit-Genauigkeit eine Funktion eines konstanten Vergleichs zwischen den integrierten Impulsen der Ladungspumpe und dem Ausgangsspannungs-Anstiepsgeschwindigkeitsbegrenzten Ausgangssignal des D/A-Umsetzers ist. Das Ergebnis ist eine erste Näherung mit einer offenen Schleife des Eingangssignals, die von der Ladungspumpe erzeugt wird, und die kontinuierlich dazu veranlaßt wird, einer genaueren zweiten Näherung zu folgen, die vom D/A-Umsetzer hervorgerufen wird. Weder der von der Ladungspumpe beaufschlagte Integrator noch das slew-rate-Filter und der D/A-Umsetzer, die für sich alleine tätig sind, sind in der Lage die Genauigkeit und Wiedergabetreue ihrer einzigartigen Kombination zu liefern.

Die Schaltung der vorliegenden Erfindung ist insbesondere bei solchen Anwendungszwecken nützlich, wo D/A-Umsetzer für die Erzeugung quasikontinuierlicher Kurvenformen eingesetzt werden, d.h. wo die D/A-Umsetzer-Eingangssignale sich in Einheitsschritten mit sehr hoher Geschwindigkeit ändern. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist die digitale Vektorgeneratorbetriebsweise bei einem graphischen Darstellungssystem.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung geschaffen, die eine Integration eines Ladungspumpenausgangssignals und eine slew-rate-Filterung verwendet, um eine genaue Digital-Analog-Umsetzung zu erzeugen.

Ein Vorteil de~ vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung einer Schaⁿtung, die bei einem D/A-Umsetzer verwendet werden kann, um die Wirkung von Langzeit-Auslen-

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Ol kungen im D/A-Umsetzerausgangssignal zu minimalisieren.

Die vorstehend beschriebenen Ziele, Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind leichter bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen zu verstehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur D/A-Umsetzung;

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines D/A-Umsetzers und eines digitalen Zählers, die bei der Schaltung gemäß Fig.'l verwendet werden;

Fig. 3 bis 6 Signaldiagramme von bestimmten Signalen, die während der Segmentarbeitsweise bestimmter . Teile der Schaltung gemäß Fig. 1 erzeugt werden;
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Fig. 7 ein Signaldiagramm von bestimmten Signalen, die während der Arbeitsweise der gesamten Schaltung gemäß Fig. 1 erzeugt werden.

Die Fig. 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine beispielhafte AusfUhrungsform des Ladungspumpen-"Glitch"-Filters der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Stromabgabe-Digital/Analog-Umsetzer (D/A-Umsetzer) 20 und einen Aufwärts/Abwärts-Zähler 22. (Der Ausdruck "Glitch", obwohl etwas formlos, ist in der

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Ol Industrie bekannt und wird in seinem allgemeinen Sinn verwendet, um eine spitze Auslenkung oder eine andere augenblickliche Abweichung, die gewöhnlich nicht erwünscht sind, in einem analogen oder digitalen Signal zu beschreiben. Er wird im folgenden auch als "Zacken" bezeichnet.) Wie dargelegt, enthält das "Glitch"-Filter gemäß Fig. 1 einen hubbegrenzten Verstärker 32, eine Ladungspumpe 34, einen Integrator 36 und einen Ladungspumpensteuerkreis 38. Die Eingangssignale zum Filter enthalten das Ausgangssignal des D/A-Umsetzers 20 zusammen mit den gleichen Vorbereitungs- und Vorzeichensignalen, d.h. plus eins oder minus eins und ein Taktsignal, oder deren Äquivalente, die zum Betreiben des Zählers -22 verwendet werden, der den D/A-JUmsetzer beaufschlagt. Das Ausgangssignal V des Filters ist immer eine analoge Darstellung des digitalen Werts» der laufend im Zähler 22 gespeichert wird (die algebraische Summe aller plus Einsen und minus Einsen). In einem digitalen Vektorgeneratoreinsatz stellt das Ausgangssignal V in einer Dimension die laufende Position eines vom Vektorgenerator erzeugten Punkts dar. Für eine zweidimensionale Vektordarstellung müßten ein gesondertes Filter und ein gesonderter D/A-Umsetzer für jedes der horizontalen und vertikalen Vektoreingangssignale verwendet werden.

Die verschiedenen Teile des "Glitch"-Filters gemäß Fig. 1 können in irgendeiner bekannten Form verwirklicht werden. Beispielsweise können der hubbegrenzte Verstärker 32 und der Integrator 36, die in Kombination ein slew-rate-Filter ähnlich demjenigen bilden, das in der oben erwähnten US-PS 4 163 948 von Rieger et al. offenbart ist, in vereinfachter Form einen Verstärker Al enthalten, dessen Ausgangssignal innerhalb vorgegebener Grenzen +_ L mit Dioden Dl und D2 angeklemmt ist, und einen Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschvindigkeits-Widerstand R₀, einen

Ol zweiten Verstärker A2 nebst Integrierkondensator C und einen Rückkopplungswiderstand R_ enthalten. Der Verstärker Al und die zwei Dioden Dl und D2 sind symbolisch gemeint; die tatsächliche Verwirklichung des Eingangs enthält z.B. eine Reihe von emittergekoppelten (ECL) Leitungsempfängern, die als lineare Verstärker aufgebaut sind, die zwischen zwei vorgegebenen Grenzen arbeiten (nicht in Sättigung). Die Ladungspumpe 34, ähnlich vereinfacht, kann einen Verstärker A3 zum Abwärtspumpen und einen Verstärker A4 zum Aufwärtspumpen enthalten, die an das slew-rate-Filter über ein Dioden-Widerstandsnetzwerk angekoppelt sind, das die Dioden Dl bis D4 und Widerstände Rl und R2 aufweist.

Wie gemäß Fig. 2 vorgeschlagen, kann der Stromabgabe-D/AUmsetzer 20 als Stromquellenteil eines herkömmlichen Spannungs-Ausgangs-D/A-Umsetzers verwirklicht sein. Durch Anzapfung des D/A-Umsetzers 20 am Summierpunkt 23 zwischen der Quelle 25 und dem RUckkopplungswiderstand R^. wird ein

Ausgangsstrom I erhalten, der der vertrauteren Ausgangsspannung V proportional ist. Der leichteren Anschaulichkeit wegen ist der RUckkopplungswiderstand R., in Fig. 1 als Teil des hubbegrenzten Verstärkers 32 dargestellt.

Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 ist am besten nach einer kurzen Erörterung des Segments verständlich, das vom hubbegrenzten Verstärker 32 und dem Integrator 36 gebildet wird. Unter Nichtbeachtung der Ladungspumpe 34 und ihrer zugehörigen Steuerschaltung 38 zum gegenwärtigen Zeitpunkt bilden der Verstärker 32 und der Integrator 36, wie schon angedeutet, im Prinzip ein slew-rate-Filter, das für seine Eigenschaft bekannt ist, gewisse Kurzzeit-Abweichungen im Ausgangssignal eines herkömmlichen D/A-Umsetzers zu minimalisieren. Die Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit wird hauptsächlich von

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Ol den Werten des Widerstands R und des Kondensators C bestimmt. Normalerweise wird der Wert von R so gewählt, daß eine Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit von ungefähr dem Zweifachen der Eingangsschrittrate erzeugt wird. Dadurch ist es für das Ausgangssignal V möglich, sich auf den gewünschten Schrittpegel einzustellen, bevor das nächste Schritteingangssignal empfangen wird.

Ein Beispiel einer Betriebsweise eines slew-rate-Filters ist in Fig. 3 dargestellt, wobei der obere Kurvenzug ein etwas spannungsspitzenbehaftetes anwachsendes und dann abnehmendes D/A-Umsetzerausgangssignal 40 (durchgezogene Linie) sowie dessen slew-rate-begrenztes Gegenstück 42 (gestrichelte Linie) und wobei der untere Kurvenzug das angeklemmte Ausgangssignal 44 des hubbegrenzten Verstärkers Al zeigt. Die _+ L, die dem unteren Kurvenzug benachbart sind, deuten die Hubgrenzen an. Jeder Sprung des D/A-Umsetzerausgangssignals 40 stellt einen Wechsel im Bit mit dem niedrigsten Stellenwert (LSB) des im Zähler 22 gespeicherten oder akkumulierten Werts dar, und die verkürzten Spitzen 46 - 52 stellen die Zacken dar. Zur Erleichterung der Bezugnahme sind die D/A-Umsetzerschritte am Boden der Fig. 3 mit 1 bis 8 bezeichnet.

Die gesamte Wirkung des slew-rate-Filters besteht darin, die führende Flanke jedes D/A-Umsetzerschritts in ein Rampensignal umzuwandeln, das eine der Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit proportionale Steigung hat. In den Beispiel gemäß Fig. 3 wird davon ausgegangen, daß die Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit das Doppelte der D/A-Umsetzerstufengeschwindigkeit ist. Zu bemerken ist, daß bei zackenfreien Schritten 1,4,5 und 8 und bei denjenigen Schritten 2 und 6, bei denen die Zacken 46 und 50 die gleiche Richtung haben wie die Schritte, das Ergebnis im allgemeinen "ine Glättung der Eingangskurven-

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. A.

Ol form in eine Reihe ähnlich gerichteter Rampenfunktionen ist. Bei denjenigen Schritten ■ 3 und 7, bei denen die Zacken 48 und 52 in entgegengesetzter Richtung verlaufen wie die Sprünge, folgt das Ausgangssignal 42 zuerst den Zacken und dann den Sprüngen. Deshalb verschlechtert die slew-rate-Filterung nicht nur die Eingangssprungfunktion in Rampenfunktionen mit relativ flacher Steigung, sondern ermöglicht auch ein ungünstiges Ansprechen auf in entgegengesetzte Richtung verlaufende Zacken.

Die angedeuteten Mängel sind besonders ausgeprägt, wenn sich die Zacken über verschiedene Wechsel des Eingangsschrittsignals erstrecken, wie es in den Fig. 4 und 5 angedeutet ist. Zu bemerken ist, daß eine Zacke 46' oder 48' von hinreichender Dauer in irgendeiner Richtung den Verlust oder die Verzerrung von verschiedenen Schritten der Eingangsinformation zur Folge haben kann. Auf dem Gebiet der Informationsdarstellung, beispielsweise wo Eingangsschrittdauern in der Größenordnung von 160 Nanosekunden liegen können, ist es nicht ungewöhnlich, auf D/A-Umsetzer-Zacken zu stoßen, die in der Größenordnung von 600 Nanosekunden liegen.

Unter Bezug auf Fig. 1 soll nun das von de.r Ladungspumpe 34, ihrer zugeordneten Steuerschaltung 38 und dem Integrator 36 gebildete Segment betrachtet werden. Die Ladungspumpe 34 ist im wesentlichen eine Stromquelle, die in der Lage ist, als Antwort auf Signale, die von der Steuerschaltung 38 erhalten werden, Strom in den Integrator 36 einzuspeisen oder diesem zu entnehmen. Die beiden Dioden D4 und D6 wirken als Strömschalter, um den Strom in die gewünschte Richtung zu leiten. Die Werte der beiden Widerstände Rl und R2 sind so gewählt, daß im Ruhezustand des Systems und mit gleich großen Potentialen von zueinander entgegengesetzten Polaritäten an den beiden Anschlüssen

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.ΛΤ-.

Ol 60 und 20 der Anschluß 64 zwischen den beiden Dioden D4 und D6 virtuelles Erdpotential und das Ausgangssignal V
des Integrators 36 die angesammelte Ladung auf der Kapazität C darstellt. Um das Ausgangssignal V zu ändern, ist es nur notwendig, die Höhe der Kapazitätsladung zu ändern. Um die Höhe der Kapazitätsladung zu ändern, ist es nur erforderlich, Strom in den Integrator 36 einzuspeisen oder ihm zu entziehen. Deshalb bildet die Verbindung von Ladungspumpe und Integrator in etwa einen D/A-Umsetzer mit einer offenen Schleife (so lange wie die Eingangssignaländerungen auf Einheitsschritte beschränkt sind).

Die Steuerschaltung 38 erhält die gleichen Vorbereitungs-Vorzeichen- und Taktsignale oder deren Äquivalente wie der oben erwähnte Zähler 22. Als Antwort auf einen positiven Satz von Signalen gibt die Steuerschaltung 38 ein Abwärtspumpsignal (P/D) an die Ladungspumpe 34 ab; als Antwort auf einen negativen Satz von Signalen gibt sie ein Aufwärtspump signal (P/U) aus. Im Ruhezustand ist das Ausgangssignal des Verstärkers A3 niedrig in bezug auf Erdpotential, während das Ausgangssignal des Verstärkers A4 hoch ist. Unter diesen Voraussetzungen fließt Strom durch den Widerstand Rl und die Diode D3 und in den Verstärker A3, während Strom durch die Diode D5 und den Widerstand R2 und aus dem Verstärker A4 herausfließt.

Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers A3 auf einen hohen Pegel getrieben wird, dann wird der vorher durch die Diode D3 fließende Strom über die Diode D4 in den Summierpunkt 68 des Integrators 36 eingespeist, wobei sich die Ladung der Kapazität (in negativer Richtung) ändert, deshalb der Ausdruck "Abwärtspumpen". Wenn jedoch das Ausgangesignal des Verstärkers A4 auf einen niedrigen Pegel getrieben wird, ^ann wird der Anschluß 64 unter

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Ol Erdpotential abgesenkt. Dabei wird dem Integrator Strom über die Diode D6 entzogen, wobei die Ladung auf der Kapazität C in positiver Richtung geändert wird, daher der Ausdruck "Aufwärtspumpen". Durch Beaufschlagung der Ladungspumpe 34 mit der passenden Reihe von "Aufwärts-" und "AbwärtspumpSignalen" kann demnach das Ausgangssignal V dazu veranlaßt werden, der digitalen Eingangswellenform zu folgen, die durch die Voreinstell-, Vorzeichen- und Taktsignale bestimmt ist (Einheitsschritte wie bisher vorausgesetzt).

Ein Beispiel der Arbeitsweise des Ladungspumpen- und Integratorsegments, das gerade beschrieben wurde, ist in Fig. 6 gezeigt, worin der Kurvenzug 70 (ausgezogene Linie) die gewünschte Ausgangswellenform und die Kurve 42 (gestrichelte Linie), wie zuvor, das tatsächlich erzeugte Ausgangssignal V darstellt. (Zunächst soll der mit 44 bezeichnete Kurvenzug nicht beachtet werden.) Nach der Übereinkunft ist das Eingangssignal, dessen Empfang angenommen wird, eine Reihe von Voreinstell-, Vorzeichen- und Taktsignalen oder deren Äquivalenten, die jeweils das Vorhandensein, die Richtung und die Zeitzählung jedes Eingangsschritts bestimmen. Theoretisch stellen die Voreinstell- und Vorzeichensignale einen Eingangsbitstrom dar, der eine digitale Wellenform festlegt. Das Taktsignal gewährleistet die Synchronisation der Schaltung gemäß Fig. 1 mit dem übrigen Teil des Systems, von dem es einen Teil bildet. Die "Aufwärts-" und "Abwärtspumpsignale", die von der Steuerschaltung 38 als Antwort auf den Eingangsb.itstrom erzeugt werden, sind in der Fig. 6 jeweils als 80 und 82 gezeigt. Für jeden positiven oder zunehmenden Schritt 1,2,3,5,6 erzeugt die Steuerschaltung 38 ein "Aufwärtspumpsignal", für jeden negativen oder abnehmenden Schritt 4,7 - 10 erzeugt die, Schaltung ein "Abwärtspumpsignal". Die Größe und Dauer eines jeden "Auf-

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Ol wärts-" und "Abwärtspumpsignals" ist so gewählt, daß der gewünschte Ausgangsschritt erzeugt wird. In dem in den Figuren gezeigten Beispiel ist die Impulsdauer ungefähr ein Viertel eines Schritts mit dem niedrigstwertigen Bit (LSB).

Der Betrieb der Ladungspumpe und der Integratorkombination bewirkt im wesentlichen die Integration der "Aufwärts"- und "Abwärtspumpimpulse" nach einer Rampenfunktion, die das Ausgangssignal 42 bestimmt. Zu beachten ist, daß diesem Signal die Abwesenheit von Zacken eigen ist. Es ist auch dem Signal, das vom oben beschriebenen slew-rate-Filter erzeugt wird (siehe Fig. 3) ziemlich ähnlich, außer daß die Steigungen der geneigten führenden Flanken steiler sind. (Wenn die Steigungen der slew-rate-Signale auf gleiche Weise erhöht würden, würde das Ausgangssignal 42 gemäß Fig. 3 sogar mehr der in die entgegengesetzte Richtung verlaufenden Zacken enthalten.) Ein Problem mit einer solchen Ladungspumpen/Integrationslösung, für sich alleine, besteht dann, daß in Abwesenheit irgend einer Art von Rückkopplungskorrektur das Ausgangssignal 42 dazu neigt, mit der Zeit von einer wirklichen Darstellung des Eingangssignals abzudriften.

Es soll nun ,die Schaltung gemäß Fig. 1 in ihrer Gesamtheit, d.h. mit der Ladungspumpe 34 und dem hubbegrenzten Verstärker 32 über den Integrator 36 verbunden, betrachtet werden. Zu beachten ist auch, daß der Wert des Widerstands R vergrößert ist, um eine slew-rate zu erzeu-

gen, die wesentlich weniger (z.B. ein Zehntel) als die erwartete Eingangsbitrate ist. Das Ergebnis ist im wesentlichen ein ladungspumpengetriebener Integrator, dessen Ausgangssignal in Rückkopplungsbeziehung zum Ausgangssignal des D/A-Umsatzers 20 steht.

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Jo

Ol Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 läßt sich am besten unter Fortsetzung der ursprünglichen Bezugnahme auf das Signaldiagramm der Fig. 6 verstehen, worin der Kurvenzug 70 nun das Ausgangssignal des D/A-Umsetzers 22 und der Kurvenzug 44, der oben nicht beachtet wurde, das angeklemmte Ausgangssignal des hubbegrenzten Verstärkers Al darstellt. Der Kurvenzug 42 ist weiterhin die Darstellung des Schaltungsausgangssignals V . Da die Ladungspumpensteuerschaltung 38 und der Zähler 22 je den gleichen Satz von Eingangssignalen erhalten, werden die Ladungspumpe 34 und der D/A-Umsetzer 20 im Einklang miteinander aktiviert oder angeregt. Das heißt, daß jedes Mal, wenn der Inhalt des Zählers 22 abnimmt, die Steuerschaltung ein "Aufwärtspumpsignal" ausgibt. Als Folge **davon wird über dem Integrator 36 nur zu der Zeit ein Ungleichgewicht erzwungen, in der die Ladungspumpenimpulse 80 und 82 zu einem Pegel integriert werden, der mit dem des . D/A-Umsetzer-Ausgangssignals 70 übereinstimmt. Mit jedem Ungleichgewicht wird der Verstärker Al zur Erzeugung eines angeklemmten Ausgangssignals 44 angeregt, über dessen Polarität dies Ungleichgewicht zu korrigieren versucht wird.

In Abwesenheit von Langzeit-Zacken im D/A-Umsetzer-Ausgangssignal 70 und in Abwesenheit durch Drift verursachter Unterschiede zwischen dem D/A-Umsetzer-Ausgangssignal und demjenigen, das durch den Betrieb der Ladungspumpe 34 erzeugt wird, setzt sich die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 1 im wesentlichen so fort, wie es gerade beschrieben wurde. Selbst wenn Kurzzeit-Zacken im D/A-Umsetzer-Ausgangssignal anwesend sind, veranlaßt die verminderte slew-rate, die durch den Wert des Widerstands R

hervorgerufen wird, die nahezu völlige Beseitigung dieser Zacken. Sollte das Ausgangssignal, das von der Ladungspumpe erzeugt wird, beginnen, in bedeutendem Maße von den-

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Ol jenigen des D/A-Umsetzers 20 abzuweichen, dann erzeugt der Verstärker Al ein geeignetes Korrektursignal und bringt die beiden Ausgangssignale zur Übereinstimmung zurück.

Die hauptsächlichen Vorteile der Vereinigung der Eigenschaften eines von einer Ladungspumpe betriebenen Integrators und eines s¹ew-rate-Filters, wie sie in der Schaltung gemäß Fig. 1 dargestellt sind, bestehen in der Art und Weise, in der Langzeit-Zacken im D/A-Umsetzer-Ausgangssignal über verschiedene Zyklen des Eingangssignals mit minimal verschlechternder Wirkung ausgedehnt werden. Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist solch ein Zacken 46 unter der Annahme, daß er zu Beginn des Schritts 1 auftritt und ungefähr bis zum Beginn des Schritts 10 dauert, dargestellt. Zu Beginn des Zackens 46 wird ein bedeutendes Ungleichgewicht über dem Integrator 36 erzwungen. Der Verstärker Al wird an seine negative Grenze - L, wie durch den Kurvenzug 44 angedeutet, ausgesteuert. (Es wird in Erinnerung gerufen, daß das Ungleichgewicht, das vom Eingangsschritt 1 hervorgerufen wird, ohne den Zacken 46 durch den von der Ladungspumpe 34 erzeugten Impuls ausgeglichen würde. Der Verstärker Al würde nur angeregt, bis der Impuls zu dem Pegel des D/A-Umsetzer-Ausgangssignals integriert ist. Vergleiche mit Fig. 6.) Solange die Größe des Zackens 46 (d.h. des Ausgangssignals des D/A-Umsetzers 20) über der Größe der akkumulierten Ladungspumpenimpulse liegt, bleibt der Verstärker Al auf seinem -L-Pegel. Sollte der nächste Eingangsschritt negativ sein, gefolgt von keinem Wechsel, würde die Wirkung des Zackens 46 das Integratorausgangssignal V zum langsamen Ansteigen veranlassen, wie es durch die gestrichelte Linie 41 in Fig. 7 angedeutet ist, bis es an einem Punkt "a" den Pegel des nun abnehmenden Zackens erreicht. An diesem Punkt schaltet c'~s Ausgangssignal des Verstärkers

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Ol Al auf seine positive Grenze +L um und das Integratorausgangssignal V beginnt gleichmäßig
ursprünglichen Pegel hin abzufallen.

gangssignal V beginnt gleichmäßig langsam gegen seinen

Ub Liegt jedoch der gleiche· Eingangssignal st rom vor, wie er gemäß Fig. 6 angenommen- ist, dann besteht die Wirkung darin, das¹ vom Zacken erzeugte Signal 41 dem vor, der Ladungspumpe erzeugten Signal 42 zu überlagern, um das leicht verzerrte Ausgangssignal 42' hervorzurufen. Zu beachten ist, daß im Beispiel gemäß Fig. 7 das Integratorausgangssignal 42 ■ die Zackengröße ungefähr zu Beginn des Eingangsschritts 6 erreicht und daß der Verstärker Al an diesem Punkt auf seine positive Grenze +L umschaltet. Wenn das Integrationsausgangssignal 41 und das D/A-Um-

.15 sotzer-Ausgangssignal 40 erneut ungefähr am Ende des Eing'ingsschrit ts K) zur Übereinstimmung gelangen, kehrt der Verstärker Al zu seinem inaktiven oder neutralen Zustand zurück.

Es ist somit ersichtlich, daß die einzigartige Verbindung einer Ladungspurnpenintegration und einer slew-rate-Filterung, wie sie in dem Filter der vorliegenden Erfindung vereinigt sind, nicht nur die bei der alleinigen Anwendung der slew-rate-Filterung sich ergebende Verschlechterung vermindert, sondern auch die gewöhnlich durch Langz <e it-Abweichungen im Ausgangssignal eines herkömmlichen D/A-Umsetzers verursachte Verzerrung beträchtlich reduz iert.

Obwohl in der obigen Diskussion angenommen wurde, daß das Eingangssignal dor Schaltung gornäß Fig. 1 einen kontinuierlichen ί-ΊΙ rom von Ei nhei taschri t täri'lerungen darstellt, ist es J'ür Fachleute ferktontibar, daß das allgemeinere Eingangssignal eine unzusammenhängend^ KarriDination von Einheitsschrittänderungen und groben oder absoluten

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Ol Lageänderungen ist. Eine grobe Lageänderung bei einem Vektorgeneratoreinsatz tx^itt z.B. meistens zu Beginn ^cines neuen Vektors oder bei einer Unstetigkeit in einem laufenden Vektor auf. Um absolute Lageänderungen in der Schaltung gemäß Fig. 1 zu berücksichtigen, ist es nur erforderlich, den slew-rate-Widerstand R^ durch Kurzschluß zu überbrücken und einen neuen Wert in den Aufwärts/Abwärts-Zähler 22 einzugeben. Das Kurzschließen des Widerstands R„ wird am einfachsten verwirklicht, indem ein Feldeffekttransistor (FET) parallel zum Widerstand gelegt und jedesmal aktiviert wird, wenn ein neuer Wert in den Zähler eingegeben wird. Das Aktivieren des Feldeffekttransistors und das Eingeben in den Zähler kann durch geeignete herkömmliche Mittel erfolgen. Obwohl die Hubgrenze des Verstärkers Al nicht durch die Änderung des Rückkopplungswiderstands beeinflußt wird, wird die Stromkapazität des Verstärkers erhöht, wodurch es möglich ist, die Integratorkapazität C schneller zu laden oder zu entladen. Sobald sich auf der Kapazität ihre neue Ladung angesammelt hat und irgendwelche Einschwingvorgänge abgeklungen sind, kann der Feldeffekttransistor nichtleitend gesteuert und die kontinuierliche Betriebsweise wieder aufgenommen werden.

Die Bezeichnungen und Ausdrücke, die in der obigen Beschreibung verwendet wurden, sind lediglich im beschreibenden und nicht im beschränkenden Sinne benutzt. Durch die Verwendung solcher Ausdrücke sollen Äquivalente der dargestellten und beschriebenen Merkmale oder von Teilen dieser Merkmale nicht vom Schutz ausgeschlossen werden. Es wird dabei anerkannt, daß der Schutzbereich der Erfindung nur durch die Ansprüche bestimmt und begrenzt wird.

Claims

STRASSE & STOFFRBGBN Patentanwälte · European Patent Attorneys Dlpl.-Inir. Joachim Stresse, Münohon . Dlpl.-Phye. Or. Hans-Herbert Stoff regen, Hanau Zwelbrückou»traUe IS . D-BOOO München S (Gegenüber dem Patentamt) · Telefon (08Q) 22 28 θβ · Telex O 22 004 Tektronix, Inc. München, 3. Mai 1982 Beaverton, Oregon 97077 (V.St.A) e-ks 14 051 Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines seriellen Bitstr._~s in eine analoge Darstellung einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform Patentansprüche 10

1. Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines seriellen Bitstroms in eine analoge Darstellung einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform,
dadurch gekennzeichnet,

daß Einrichtungen zum Empfang eines Eingangsbitstroms, der für eine Eingangswellenform repräsentativ ist und der eine vorher bestimmte maximale Bitrate hat, sowie auf den Eingangsbitstrom ansprechende Einrichtungen (22) zur Erzeugung eines der Größe der Eingangswellenform entsprechenden digitalen Signals

vorgesehen sind, das von einem Digital-Analog-Um-

^_n setzer (20) in eine entsprechende analoge Darstellung

umgewandelt wird, daß an den Digital-Analog-Umsetzer

(20) ein slew-rate-Filter (32,36) zum Filtern des analogen Signals angeschlossen ist, dessen Ausgangsspannung s—Anstiegsgeschwindigkeit wesentlich kleiner als die maximale Bitrate des Eingangsbitstroms ist, daß eine auf den Eingangsbitstrom ansprechende Ladungspumpe (34) vorgesehen ist, die ein der Richtung der digitalen Wellenform entsprechendes Ausgangssignal erzeugt und daß Einrichtungen für die Vereinigung des Ausgangssignals des slew-rate-Filters (32,36) und des Aus^angssignals der Ladungspumpe (34)

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Ol zu einer analogen Darstellung der Eingangswellenform vorhanden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das slew-rate-Filter (32,36) einen Verstärker (Al) mit begrenztem Hub und einen Integrator (36) aufweist und daß die Einrichtungen für die Vereinigung der Ausgangssignale des slew-rate-Filters (32,36) und der Ladungspumpe (34) eine Anordnung (D4,-D6) zur Einspeisung des Ausgangssignals der Ladungs-, pumpe (34) in den Summierpunkt (68) des Integrators

(36) enthält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit des Filters (32,36) ungefähr ein Zehntel der maximalen Bitrate ist.

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4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal der Ladungspumpe (34) ein — 25 Stromimpuls von vorgegebener Größe und Dauer ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Stromimpuls positiv für ein Eingangsbit mit einem ersten Richtungssinn und negativ für ein Eingangsbit mit einem zweiten Richtungssinn ist.

6. Schaltungsanordnung zur Umsetzung eines seriellen Bitstroms in eine analoge Darstellung einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform,

dadurch gekennzeichnet,

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Ol daß Einrichtungen zum Empfang eines Eingangsbitstroms, der für eine Eingangswellenform repräsentativ ist und eine vorher bestimmte maximale Bitrate hat, sowie auf den Eingangsbitstrom ansprechende, in einer offenen Schleife angeordnete Stromkreise (34,38,36) zur Erzeugung einer ersten analogen Darstellung der Eingangswellenform vorgesehen sind, daß weitere auf den Eingangsbitstrom ansprechende Einrichtungen (22,20,32) mit einem Digital-Analog-Umsetzer (20) zur Erzeugung einer zweiten, genaueren analogen Darstellung der Eingangswellenform vorhanden sind und daß Einrichtungen (32,36) mit einem slew-rate-Filter (32) vorgesehen sind, die die erste Näherung dazu veranlassen, der zweiten Näherung zu folgen.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeit des slew-rate-Filters (32,36) wesentlich geringer als die maximale Bitrate des Eingangsdatenstroms ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß die in einer offenen Schleife angeordneten Stromkreise (34,36,38) eine Ladungspumpe (34), eine auf den Eingangsbitstrom ansprechende Steuerschaltung (38) zur Beeinflussung der Ladungspumpe (34) im Sinne der Erzeugung von Stromimpulsen vorher bestimmter Richtung und Dauer und einen Integrator (36) zur Integration der Stromimpulse während der Dauer enthalten.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Steuerschaltung (38) Einrichtungen enthält,

Ol die die Ladungspumpe (34) dazu veranlassen, einen positiven Impuls für ein Eingangsbit eines ersten Richtungssinns und einen negativen Impuls für ein Eingangsbit eines zweiten Richtungssinns zu erzeugen.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Eingangsbitstrom aus Voreinstellsignalen, Vor-Zeichensignalen und Taktsignalen zusammengesetzt ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,

15- daß der D/A-Umsetzer (20) aus dem Stromabgabeteil eines Spannungsausgangs-D/A-Umsetzers (21) besteht und daß der Stromabgabeausgang durch den Abgriff am Summierpunkt (23) einer Stromquelle (25) und eines Rückkopplungswiderstands (R^) erhalten wird.
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12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,
daß der Summierpunkt (23) mit dem Eingang des Verstärkers (Al) des slew-rate-Filters (32,36) und der Rückkopplungswiderstand (Rf.) mit dem Ausgang- des Integrators (36) des slew-rate-Filters (32,36) verbunden ist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Ladungspumpe (34) einen ersten und einen zweiten Verstärker (A3,A4) enthält, deren Eingänge je an einen Ausgang der Ladungspumpensteuerschaltung (38) angeschlossen sind, die an den Ausgängen jeweils

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Ol ein Aufwärts-Pumpsignal und ein Abwärts-Pumpsignal erzeugen.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgänge der Verstärker (A3,A4) der Ladungspumpe (34) je über Dioden (D3,D4) und Widerstände (Rl, R2) an positives, bzw. negatives Betriebspotential gelegt sind.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Ladungspumpe (34) eine je nach den Eingangssteuersignalen einen Strom mit positiver oder negativer Polarität erzeugende'Konstantstromquelle ist.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (22) zur Erzeugung eines der Größe der Eingangswellenform entsprechenden digitalen Signals ein Aufwärts/Abwärts-Zähler ist.
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