DE3216378C2 - Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines Bitstroms in eine analoge Darstellung einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform - Google Patents

Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung angegeben, die einen herkömmlichen Digital-Analog-Umsetzer (D/A-Umsetzer) und eine Ladungspumpe (34) zur Erzeugung einer analogen Darstellung einer Eingangswellenform enthält, die von einem digitalen Eingangsbitstrom bestimmt ist, wobei die analoge Darstellung relativ frei von unerwünschten Abweichungen ist, die gewöhnlich im Ausgangssignal eines herkömmlichen D/A-Umsetzers enthalten sind. Die Ladungspumpe (34) und ein zugeordneter Integrator (36) werden dazu verwendet, eine erste Näherung der Eingangswellenform zu erzeugen. Der D/A-Umsetzer (20) und ein zugehöriges verstimmtes slew-rate-Filter (32, 36) werden benutzt, um die erste Näherung in Langzeit-Übereinstimmung mit einer genaueren zweiten Näherung zu halten. Unerwünschte Abweichungen in der zweiten Näherung werden über mehrere Schritte des Eingangsbitstroms integriert, wobei ihr ungünstiger Einfluß auf die relativ genaue erste Näherung minimalisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Übersetzen eines Bitstromes in eine analoge Darstellung einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform mit einem die Slew-Rate begrenzenden Filter zur Beseitigung von unerwünschten Spitzen im Analogsignal.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der US-PS 41 63 948 bekannt.

Es ist bekannt, daß Digital-Analog-Umsetzer (D/AUmsetzer) gewöhnlich aus Funktionsgruppen bestehen, wobei jede Funktionsgruppe von einer bestimmten Teilmenge der Bits innerhalb eines digitalen Eingangssignals gesteuert wird. Beispielsweise kann ein 12-bit D/ Α-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.

Wie ebenfalls bekannt ist, treten im Ausgangssignal bedeutsame Auslenkungen (Spitzen, Zacken), auch als »Glitches« bezeichnet, 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 OIII2 zu IOOO2 (Deaktivierung der ersten Funktionsgruppe, Aktivierung der zweiten Funktionsgruppe) oder in umgekehrter Richtung von 00100O₂ zu 000111₂ (Deaktivierung der zweiten Funktionsgruppe, Aktivierung der ersten Funktionsgruppe) oder zwischen irgendwelchen Werten wechselt, die eine bestimmte D/A-Umsetzerfunktionsgruppe deaktivieren, während zugleich eine andere Funktionsgruppe aktiviert wird. Im allgemeineren Fall, bei dem jedes Eingangsbit eine Ein-Bit-Funktionsgruppe steuert, findet ein Worst-Case-Übergang 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 0111111I₂ auf IOOOOOOO2 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 Darstellungen, wo D/A-Umsetzer beispielsweise zum kalligraphischen Betrieb eines Elektronenstrahls in einer Kathodenstrahlröhre verwendet werden, beispielsweise zur Darstellung von Schriftzeichen oder Symbolen, 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 Signaiausienkungen.

Ein anderer bekannter Versuch, das Problem unerwünschter Auslenkungen in einem D/A-Umsetzer-Ausgangssignal zu lösen, betrifft das von Rieger et al. in dem US-Patent 4163 948 beschriebene nichtlineare Filter. Anmelder dieses Patents ist die Tektronix Inc., die Anmelderin der vorliegenden Erfindung. Bei dem bekannten Filter werden Zacken (»Glitches«) mit einem die Stew-Rate, d. h. die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung, begrenzenden Filter minimalisiert auf der Basis eines begrenzten Stromhubes und Integration. Die Wirkung des bekannten Filters ist jedoch auf Zakken (»Glitches«) beschränkt, die sich über Zeitspannen erstrecken, die kurz sind in bezug auf einen Arbeitsschritt; jedoch ist das bekannte Filter weniger geeignet, Auslenkungen wie Zacken (»Glitches«) hinreichend zu

behandeln, die sich über mehr als eine Änderung des Eingangssignals erstrecken.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Schaltungsanordnung zum Übersetzen eines Bitstroms in eine analoge Darstellung einer vom Bitstrom bestimmten Wellenform derart weiterzubilden, daß auch unerwünschte Zacken (»Glitches«) im Analogsignal vermieden werden, die sich über mehr als eine Änderung des Eingangssignales erstrecken.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einrichtungen zum Empfang eines Eingangsbitstroms, der für eine Eingangswellenform repräsentativ ist und der eine vorbestimmte 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 das die Slew-Rate begrenzende Filter zum Filtern des analogen Signals angeschlossen 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 die Slew-Rate begrenzenden Filters und des Ausgangssignals der Ladungspumpe zu einer analogen Darstellung der Eingangswellenform vorhanden sind.

Unter der Slew-Rate ist die Anstiegsgeschwindigkeit des Signales zu verstehen, bezogen auf die Differenz zwischen den beiden Grenzwerten des dynamischen Bereiches des Filters, es ist also die mit der Bitrate zu vergleichende Anstiegsgeschwindigkeit des Filters nicht auf die Spannungseinheit, sondern auf das gesamte Spannungsintervall des Filterausgangs bezogen. Die üblicherweise die Dimension »Volt/Sekunde« aufweisende Anstiegsgeschwindigkeit ist also hier durch das Spannungsintervall zwischen den beiden Grenzwerten des dynamischen Bereiches des Filters zu dividieren, so daß sich die Dimension »1/Sekunde« ergibt, welche mit der in gleicher Dimension gemessenen Bitrate zu vergleichen ist.

Das Eingangssignal zum Verstärker kommt von einem Digital-Analog-Umsetzer (D/A-Umsetzer) mit Stromausgangssignalen; und das Eingangssignal der Ladungspumpe kommt 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 die Slew-Rate begrenzendes 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 im-

mer noch empfänglich 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 einzufangen, 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 Rückkopplungsbeziehung 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-Anstiegsgeschwindigkeitsbegrenzten 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 sind digitale Vektorgeneratoren bei einem System zur graphischen Darstellung von Symbolen bei Kathodenstrahlröhren.

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 der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung einer Schaltung, die bei einem D/A-Umsetzer verwendet werden kann, um die Wirkung von Langzeit-Auslenkungen 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 Ausführungsbeispiels näher erläutert aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben. Es zeigt

F i g. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur D/A-Umsetzung:

F i g. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines D/A-Umsetzers und eines digitalen Zählers, die bei der Schaltung gemäß F i g. 1 verwendet werden;

F i g. 3 bis 6 Signaldiagramme von bestimmten Signalen, die während der Segmentarbeitsweise bestimmter Teile der Schaltung gemäß F i g. 1 erzeugt werden;

F i g. 7 ein Signaldiagramm von bestimmten Signalen, die während der Arbeitsweise der gesamten Schaltung gemäß F i g. 1 erzeugt werden.

Die F i g. 1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform 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 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 »GIitch«-Filter gemäß F i g. 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-Umsetzer beaufschlagt Das Ausgangssignal V₀ 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 Vo 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 F i g. 1 können in irgendeiner bekannten Form verwirklicht werden. Beispielsweise können der hubbegrenzte Verstärker 32 und der Integrator 36, die in Kombination ein die Slew-Rate begrenzendes Filter ähnlich demjenigen bilden, das in der oben erwähnten US-PS 41 63 948 beschrieben ist in vereinfachter Form einen Verstärker A 1 enthalten, dessen Ausgangssignal innerhalb vorgegebener Grenzen ± L mit Dioden D1 und D 2 angeklemmt ist und einen Ausgangsspannungs-Anstiegsgeschwindigkeits-Widerstand R* einen zweiten Verstärker A 2 nebst Integrierkondensator C und einen Rückkopplungswiderstand Rf enthalten. Der Verstärker A 1 und die zwei Dioden D1 und D 2 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 A 3 zum Abwärtspumpen und einen Verstärker A 4 zum Aufwärtspumpen enthalten, die an das die Slew-Rate begrenzende Filter über ein Dioden-Widerstandsnetzwerk angekoppelt sind, das die Dioden D1 bis D 4 und Widerstän-

de R 1 und R 2 aufweist.

Wie gemäß F i g. 2 vorgeschlagen, kann der Stromabgabe-D/A-Umsetzer 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 Rückkopplungswiderstand Rr wird ein Ausgangsstrom I₀ erhalten, der der vertrauteren Ausgangsspannung V₀ proportional ist. Der leichteren Anschaulichkeit wegen ist der Rückkopplungswiderstand Rt in F i g. 1 als Teil des hubbegrenzten Verstärkers 32 dargestellt.

Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß F i g. 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 die Slew-Rate begrenzendes Filter, das für seine Eigenschaft bekannt ist, gewisse Kurzzeit-Abweichungen im Ausgangssignal eines herkömmlichen D/A-Umsetzers zu minimalisieren. Die Slew-Rate wird hauptsächlich von den Werten des Widerstands R_s und des Kondensators C bestimmt. Normalerweise wird der Wert von R_s so gewählt, daß eine Slew-Rate von ungefähr dem Zweifachen der Eingangsschrittrate erzeugt wird. Dadurch ist es für das Ausgangssignal V₀ möglich, sich auf den gewünschten Schrittpegel einzustellen, bevor das nächste Schritteingangssignal empfangen wird.

Ein Beispiel der Betriebsweise des die Slew-Rate begrenzenden Filters ist in F i g. 3 dargestellt, wobei der obere Kurvenzug ein etwas mit Zacken (»Glitches«) behaftetes 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 A 1 zeigt. Die ± L, die dem unteren Kurvenzug benachbart sind, deuten die Hubgrenzen an. Jeder Sprung des D/A-Umsetzerausgangssignals 40 stellt einen Wechsel im Bitt 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 unten in Fig.3 mit 1 bis 8 bezeichnet.

Die gesamte Wirkung des die Slew-Rate begrenzenden Filters besteht darin, die führende Flanke jedes D/ A-Umsetzerschritts in ein Rampensignal umzuwandeln, das eine der Slew-Rate proportionale Steigung hat In dem Beispiel gemäß Fig.3 wird davon ausgegangen, daß die Slew-Rate 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 eine Glättung der Eingangskurvenform 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 verringert die Slew-Rate-Filterung nicht nur die Eingangssprungfunktion in Rampenfunktionen mit relativ flacher Steigung, sondern ermöglicht auch ein gegengerichtetes Ansprechen auf in entgegengesetzte Richtung verlaufende Zacken.

Die angedeuteten Mangel sind besonders ausgeprägt, wenn sich die Zacken über verschiedene Wechsel des Eingangsschrittsignals erstrecken, wie es in den F i g. 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 F i g. 1 soll nun das von der 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 D 4 und D 6 wirken als Stromschalter, um den Strom in die gewünschte Richtung zu leiten. Die Werte der beiden Widerstände R 1 und R 2 sind so gewählt, daß im Ruhezustand des Systems und mit gleich großen Potentialen von zueinander entgegengesetzten Polaritäten an den beiden Anschlüssen 60 und 20 der Anschluß 64 zwischen den beiden Dioden D 4 und D 6 virtuelles Erdpotential und das Ausgangssignal V₀ des Integrators 36 die angesammelte Ladung auf der Kapazität C darstellt. Um das Ausgangssignal V₀ 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 Aufwärtspumpsignal (P/U) aus. Im Ruhezustand ist das Ausgangssignal des Verstärkers A 3 niedrig in bezug auf Erdpotential, während das Ausgangssignal des Verstärkers A 4 hoch ist. Unter diesen Voraussetzungen fließt Strom durch den Widerstand R 1 und die Diode D 3 und in den Verstärker A 3, während Strom durch die Diode D 5 und den Widerstand R 2 und aus dem Verstärker A 4 herausfließt

Wenn das Ausgangssignal des Verstärkers A3 auf einen hohen Pegel getrieben wird, dann wird der vorher durch die Diode D 3 fließende Strom über die Diode D 4 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 Ausgangssignal des Verstärkers A 4 auf einen niedrigen Pegel getrieben wird, dann wird der Anschluß 64 unter Erdpotential abgesenkt Dabei wird dem Integrator Strom über die Diode D 6 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 V₀ dazu veranlaßt werden, der digitalen Eingangswellenform zu folgen, die durch die Voreinstell-, Vorzei-

chen- und Taktsignale bestimmt ist (Einheitsschritte wie bisher vorausgesetzt).

Ein Beispiel der Arbeitsweise des Ladungspumpen- und Integratorsegments, das gerade beschrieben wurde, ist in F i g. 6 gezeigt, worin der Kurvenzug 70 (ausgezogene Linie) die gewünschte Ausgangswellenform und die Kurve 42 (gestrichelte Linie), wie zuvor, das tatsächlich erzeugte Ausgangssignal V₀ darstellt. (Zunächst soll der mit 44 bezeichnete Kurvenzug nicht beachtet werden.) Nach 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 F i g. 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 Eingangsbitstrom erzeugt werden, sind in der F i g. 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 »Aufwärts-« 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, die Slew-Rate begrenzenden Filter erzeugt wird (siehe F i g. 3) ziemlich ähnlich, außer daß die Steigungen der geneigten führenden Flanken steller sind. (Wenn die Steigungen der Slew-Rate-Signa-Ie auf gleiche Weise erhöht würden, würde das Ausgangssignal 42 gemäß F i g. 3 sogar mehr der in die entgegengesetzte Richtung verlaufenden Zacken enthalten.) Ein Problem mit einer solchen Ladungspumpen/Integrationslösung, für sich alleine, besteht darin, daß in Abwesenheit irgend einer Art von Rückkopplungskorrektur das Ausgangssignal 42 dazu neigt, mit der Zeit von der wahren Darstellung des Eingangssignals wegzudriften.

Es soll nun die Schaltung gemäß F i g. 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 R₅ vergrößert ist um eine Slew-Rate zu erzeugen, die wesentlich geringer (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-Umsetzers 20 steht

Die Arbeitsweise der Schaltung gemäß F i g. 1 läßt sich am besten unter Fortsetzung der ursprünglichen Bezugnahme auf das Signaldiagramm der F i g. 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 A 1 darstellt. Der Kurvenzug 42 ist weiterhin die Darstellung des Schaltungsausgangssignals V₀. 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 zunimmt, die Steuerschaltung ein »Aufwärtspumpsignal« ausgibt und entsprechend bei Abnahme des Zählerinhaltes ein »Abwärtspumpsignal« ausgegeben wird. 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 A 1 zur Erzeugung eines angeklemmten Ausgangssignals 44 angeregt, über dessen Polarität dies Ungleichgewicht zu korrigieren versucht wird.

In Abwesenheit von Langzeit-Zacken (»Glitches«) 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 F i g. 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 Rs hervorgerufen wird, die nahezu völlige Beseitigung dieser Zacken. Sollte das Ausgangssignal, das von der Ladungspumpe erzeugt wird, beginnen, in bedeutendem Maße von denjenigen des D/A-Umsetzers 20 abzuweichen, dann erzeugt der Verstärker A 1 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 die Slew-Rate begrenzenden Filters, wie sie in der Schaltung gemäß F i g. 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 F i g. 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 A 1 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 A 1 würde nur angeregt bis der Impuls zu dem Pegel des D/A-Umsetzer-Ausgangssignals integriert ist Vergleiche mit F i g. 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 A 1 auf seinem — L-Pegel. Sollte der nächste Eingangsschritt negativ sein, gefolgt von keinem Wechsel, würde die Wirkung des Zackens 46" das Integratorausgangssignal V₀ zum langsamen Ansteigen veranlassen, wie es durch die gestrichelte Linie 41 in F i g. 7 angedeutet ist bis es an einem Punkt »a« den Pegel des nun abnehmenden Zackens erreicht An diesem Punkt schaltet das

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, Ausgangssignal des Verstärkers A 1 auf seine positive Grenze +L um und das Integratorausgangssignal V₀ ' beginnt gleichmäßig langsam gegen seinen ursprünglichen Pegel hin abzufallen.

Liegt jedoch der gleiche Eingangssignalstrom vor, wie er gemäß F i g. 6 angenommen ist, dann besteht die Wirkung darin, das vom Zacken erzeugte Signal 41 dem von der Ladungspumpe erzeugten Signal 42 zu überla-■ gern, um das leicht verzerrte Ausgangssignal 42' hervorzurufen. Zu beachten ist, daß im Beispiel gemäß F i g. 7 das Integratorausgangssignal 42' die Zackengröße ungefähr zu Beginn des Eingangsschritts 6 erreicht und daß der Verstärker Λ 1 an diesem Punkt auf seine positive Grenze + L umschaltet. Wenn das Integrationsausgangssignal 41' und das D/A-Umsetzer-Ausgangssignal 40 erneut ungefähr am Ende des Eingangsschritts 10 zur f Übereinstimmung gelangen, kehrt der Verstärker A 1 zu seinem inaktiven oder neutralen Zustand zurück.

Es ist somit ersichtlich, daß die einzigartige Verbindung einer Ladungspumpenintegration und einer die Slew-Rate begrenzenden Filterung, wie sie in dem Filter der vorliegenden Erfindung vereinigt sind, nicht nur die

bei der alleinigen Anwendung der die Slew-Rate be- ; grenzenden Filterung sich ergebende Verschlechterung ' vermindert, sondern auch die gewöhnlich durch Lang-

zeit-Abweichungen im Ausgangssignal eines herkömmlichen D/A-Umsetzers verursachte Verzerrung beträchtlich reduziert.

\, Obwohl in der obigen Diskussion angenommen wurde, daß das Eingangssignal der Schaltung gemäß F i g. 1 einen kontinuierlichen Strom von Einheitsschrittände- [■'^:- rungen darstellt, ist es für Fachleute erkennbar, daß das j allgemeinere Eingangssignal eine unzusammenhängende Kombination von Einheitsschrittänderungen und groben oder absoluten Lageänderungen ist Eine grobe

Lageänderung bei einem Vektorgeneratoreinsatz tritt ■ z. B. meistens zu Beginn eines neuen Vektors oder bei ^! einer Unstetigkeit in einem laufenden Vektor auf. Um absolute Lageänderungen in der Schaltung gemäß F i g. 1 zu berücksichtigen, ist es nur erforderlich, den ;.';. Slew-Rate-Widerstand R₅ durch Kurzschluß zu überbrücken und einen neuen Wert in den Aufwärts/Abt ; wärts-Zähler 22 einzugeben. Das Kurzschließen des Wi- > derstands Ä/wird am einfachsten verwirklicht, indem ein ;;■= Feldeffekttransistor (FET) parallel zum Widerstand ge- ; legt 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 A 1 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (14)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Obersetzen eines Bitstromes in eine analoge Darstellung einer vom s Bitstrom bestimmten Wellenform mit einem die Slew-Rate begrenzenden Filter zur Beseitigung von unerwünschten Spitzen im Analogsignal, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Empfang eines Eingangsbitstromes, der für eine Eingangswellenform repräsentativ ist und der eine vorbestimmte maximale Bitrate hat, sowie auf den Eingangsbitstrcm ansprechende Einrichtungen (22) zur Erzeugung eines der Größe der Eingangswellenform entsprechenden digitalen Signales vorgesehen is sind, das von einem Digital-Analog-Umsetzer (20) in eine entsprechende analoge Darstellung umgewandelt wird, daß an den Digital-Analog-Umsetzer (20) daü die Slew-Rate begrenzende Filter (32,36) zum Filtern des analogen Signales angeschlossen 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 Ausgangssignales des die Slew-Rate begrenzenden Filters (32,36) und des Ausgangssignales der Ladungspumpe (34) zu einer analogen Darstellung der Eingangswellenform vorhanden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Slew-Rate begrenzende Filter (32,36) einen Verstärker (A 1) mit begrenztem Hub und einen Integrator (36) aufweist und daß die Einrichtungen für die Vereinigung der Ausgangssignale des die Slew-Rate begrenzenden Filters (32,36) und der Ladungspumpe (34) eine Anordnung (DA, DB) zur Einspeisung des Ausgangssignals der Ladungspumpe (34) in den Summierpunkt (68) des Integrators (36) enthält.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Slew-Rate des Filters (32, 36) wesentlich kleiner als die, bevorzugt ungefähr ein Zehntel der maximalen Bitrate ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Ladungspumpe (34) ein 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 nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpe (34) in einer offenen Schleife angeordnet ist, die 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 enthält.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (38) Einrichtungen enthält, 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.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsbitstrom aus Voreinstellsignalen, Vorzeichensignalen und Taktsignalen zusammengesetzt ist

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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 (Rf) erhalten wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Summierpunkt (23) mit dem Eingang des Verstärkers (A 1) des die Slew-Rate begrenzenden Filters (32,36) und der Rückkopplungswiderstand (R/) mit dem Ausgang des Integrators (36) des die Slew-Rate begrenzenden Filters (32,36) verbunden ist

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpe (34) einen ersten und einen zweiten Verstärker (A 3, A 4) enthält, deren Eingänge je an einen Ausgang der Ladungspumpensteuerschaltung (38) angeschlossen sind, die an den Ausgängen jeweils ein Aufwärts-Pumpsignal und ein Abwärts-Pumpsignal erzeugen.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Verstärker (A 3, A A) der Ladungspumpe (34) je über Dioden (DX DA) und Widerstände (R 1, R 2) an postitives bzw. negatives Betriebspotential gelegt sind.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungspumpe (34) eine je nach den Eingangssteuersignalen einen Strom mit positiver oder negativer Polarität erzeugende Konstantstromquelle ist

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (22) zur Erzeugung eines der Größe der Eingangswellenform entsprechenden digitalen Signals ein Aufwärts/Abwärts-Zähler ist.