DE3311067A1 - Digital-analog-wandler hohen aufloesevermoegens - Google Patents

Digital-analog-wandler hohen aufloesevermoegens

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DE3311067A1
DE3311067A1 DE19833311067 DE3311067A DE3311067A1 DE 3311067 A1 DE3311067 A1 DE 3311067A1 DE 19833311067 DE19833311067 DE 19833311067 DE 3311067 A DE3311067 A DE 3311067A DE 3311067 A1 DE3311067 A1 DE 3311067A1
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Description

Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Wandler (DAC) hohen Auflösevermögens, mit dem beispielsweise digitale 16-Bit-Signale in entsprechende Analogsignale umgewandelt werden können.
In den letzten Jahren ist ein wachsender Bedarf für Digital-Analog-Wandler hohen Auflösevermögens entstanden. Das Auflösevermögen bekannter monolithischer Wandler, die ein R/2R Kettennetzwerk verwenden, scheint seine praktische Grenze bei ungefähr 12 Bits erreicht zu haben. Es ist daher erforderlich geworden, nach anderen Lösungen für dieses Problem zu suchen.
Es hat sich herausgestellt, daß bei einer Reihe von Anwendungen die absolute Genauigkeit in der Digital-Analog-Umsetzung weniger wichtig ist als eine gute differentielle Linearität und ein garantiert monotones Verhalten. Eine verbesserte Arbeitsweise in dieser Hinsicht kann durch Digital-Analog-Wandler vom Segmenttyp erreicht werden, die eine Kette von in Reihe verbundener Widerstände enthalten mit Schaltern, um Verbindungen zu ausgewählten Knotenpunkten der Kette herzustellen.
Segment-Wandler können in Kaskadenanordnung ausgebildet werden, wobei eine erste Stufe mit einem Widerstandskettenwandler eine Gruppe von Bits höherer Ordnung dekodiert, und eine zweite Stufe die verbleibenden Bits niederer Ordnung dekodiert. Ein nichtlinearer Wandler dieses allgemeinen 'i'yps ist in dem Artikel von Gryzbowski et al "Non-linear functions from D/A Converters" in Electronic Engineering 1971, Seiten 48-51 beschrieben. Der in diesem
Artikel vorgestellte Wandler ist für einen Betrieb mit Drehschaltern vorgesehen, nicht jedoch für moderne Halbleiterumschaltung. Das US-Patent 3 997 892 zeigt einen (nichtlinearen) Kaskadenwandler, der für den Einsatz von Halbleiterschaltern vorgesehen ist. In der dort beschriebenen Anordnung besteht sowohl die erste wie auch die zweite Wandlerstufe aus einem Widerstandskettenwandler vom Segment-Typ. Die Wandlerausbildung enthält Pufferverstärker, um zu verhindern, daß die Widerstandskette der zweiten Wandlerstufe die Widerstandskette der ersten Stufe belastet.
Obwohl die oben erwähnten bekannten Wandler gewisse attraktive Aspekte aufweisen, sind sie nicht zu einem Betrieb mit hoher Auflösung geeignet, wie er jetzt in vielen Anwendungen gefordert wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Digital-Analog-Wandler des beschriebenen Typs derart zu verbessern, daß er die erwähnten Nachteile nicht aufweist und insbesondere für Anwendungen geeignet ist, die ein hohes Auflösungsvermögen verlangen.
Die Lösung dieser Aufgabe, wie sie im einzelnen aus Patentanspruch 1 hervorgeht, besteht bei einer bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen darin, daß ein zweistufiger Wandler vorgesehen ist, bei dem die erste Stufe aus einem Segmentwandler mit in Reihe geschalteter Widerstandskette besteht. Durch die Bits höherer Ordnung des digitalen Eingangssignales wird eine Schalteinrichtung betätigt, die die Knotenpunkte der Widerstandskette vorwärts oder rückwärts abschreitet, wobei jeweils die Spannung über irgendeinem
ausgewählten Widerstand der Widerstandskette abgegriffen wird. Wie gemäß dem erwähnten US-Patent 3 997 892 wird die über dem ausgewählten Widerstand der Kette abgegriffene Spannung ihrerseits über ein Paar von Pufferverstärkern den Eingängen der zweiten Wandlerstufe zugeführt. Diese zweite Wandlerstufe führt eine Interpolation innerhalb der abgegriffenen Spannung der ersten Stufe in Übereinstimmung mit der Gruppe von Bits niederer Ordnung des digitalen Eingangssignales durch.
Dabei ist es ein wesentliches herkmal der Erfindung, daß die Rollen der beiden Pufferverstärker für jeden vorwärts gerichteten oder rückwärts gerichteten Abgreifschritt entlang der Widerstandskette der ersten Stufe jeweils vertauscht werden. Dies beseitigt oder vermindert irgendwelche differentiellen Nichtlinearitätsabweichungen, die infolge einer Fehlanpassung zwischen den Pufferverstärkern durch Spannungsverschiebungen entstehen können, wodurch es ermöglicht wird, unter Einsatz herkömmlicher Komponenten und Verfahrensschritte ein Arbeitsverhalten mit hohem Auflösevermögen zu erreichen.
Wenn das digitale Eingangssignal es erfordert, daß die Verbindungen zu den Pufferverstärkern vorwärts aus einer Stellung über einem Widerstand der Kette in eine Stellung über den nächsten Widerstand der Kette verschoben werden müssen, arbeitet das Fortschaltsystem in einer einfachen Weise, indem zu einem Zeitpunkt jeweils nur eine der Verbindungen in einer Art Bockspringsystem weitergeschaltet wird. Das heißt, daß der Anschluß von einem Pufferverstärker zu einem Knotenpunkt der Widerstandskette auf den Knotenpunkt umge-
schaltet wird, der sich als nächster hinter -demjenigen befindet, mit dem der andere Pufferverstärker verbunden ist, wobei die Verbindung dieses anderen Pufferverstärkers mit der Widerstandskette unverändert bleibt. Auf diese Weise wird die Verbindungsfolge zwischen den Verstärkern und der Widerstandskette für jeden Vorwärts- und Rückwärtsschritt entlang der Widerstandskette vertauscht, wodurch jegliche nachteiligen Effekte durch eine Abdrift- bzw. Fehlanpassung zwischen den Verstärkern minimiert wird.
Es ist einleuchtend, daß bei einer solchen Schaltfolge bei jedem Fortsehaltschritt entlang der Widerstandskette die Polarität der Spannung zwischen den Eingängen der Pufferverstärker umgekehrt wird. In der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung 272 053 wird die richtige Polarität für die zweite Wandlerstufe durch einen Umpolschalter im Ausgangskreis der Pufferverstärker wieder hergestellt, d.h., in einem Teil des Schaltkreises, der auf denjenigen Teil folgt, welcher dafür verantwortlich ist, daß die Rollen der Pufferverstärker vertauscht werden. Bei der vorliegenden Erfindung fehlt ein solcher Umpolschalter. Anstatt dessen wird das erwünschte funktioneile Ergebnis dadurch erreicht, daß die Rollen der Eingänge der zweiten Wandlerstufe vertauscht werden, indem für jeden Vorwärts- oder Rückwärtsschritt entlang der Widerststndskette entsprechende Verbindungen zu Elementen des R-2R Kettennetzwerkes der zweiten Wandlerstufe hergestellt werden. Das Ergebnis ist das gleiche wie dasjenige einer gleichbleibenden Polaritätsbeziehung für das Eingangssignal zu der zweiten Wandlerstufe für alle digitalen Eingangssignale.
Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Schaltschrittfolge beim vorschreitenden (bzw. rückschreitenden) Abgreifen der Widerstandskette der ersten Wandlerstufe erläutert; und
Fig. 3 eine Wahrheitstabelle für den Segment-Schalt-Wandler nach Fig. 1.
"Xn Fig. 1 ist ein Digital-Analog-Wandler in Kaskadenausführung gezeigt, mit einer ersten Wandlerstufe 10 undeiner zweiten Wandlerstufe 12. Die erste Wandlerstufe besteht dem Ürunde nach aus einer Kette aus ohmschen Widerständen 14, d.h. mit gleichen ohmschen Widerstandswerten für eine lineare Wandlung, an der eine Referenzspannung liegt, die mit V^+ und VR bezeichnet ist. Eine digital gesteuerte Schalteinrichtung 1b stellt eine jeweils ausgewählte Verbindung zu irgendeinem benachbarten Paar der aufeinanderfolgenden Knotenpunkte zwischen den Widerständen her. Die Schalter werden durch Steuersignale betätigt, die durch die Pfeile SO bis S16 angedeutet sind und durch einen Segment-Schalt-Decoder 18 aus einer Gruppe von vier Bits höherer Ordnung eines 16-iJit-Digitalsignales erzeugt werden, welches einer digitalen Eingangseinrichtung 20 zugeführt wird.
_ Q —
Wenn diese Bits höherer Ordnung sich ändern, ändern die Schalter 16 stufenweise in Vorwärtsschritten oder Rückwärtsschritten die Verbindungen zu den Knotenpunkten der Widerstandskette, um die an irgendeinem ausgewählten Widerstand der Widerstandskette anliegende Spannung einem Paar von Pufferverstärkern A1 und A2 zuzuführen, die die Eingänge IN1 undIN2 der zweiten Wandlerstufe 12 treiben.
Dieses schrittweise Fortschalten oder Zurückschalten entlang der Widerstandskette wird auf eine Weise vorgenommen, bei der für einen Schritt immer nur eine Verbindung verändert wird.
Fig. 2 veranschaulicht die Schaltfolge beim schrittweisen Vorschreiten oder Rückschreiten entlang der Widerstandskette, Es ist ersichtlich, daß, ausgehend von einer Startposition am unteren Ende der Kette,die Schaltfolge zuerst die Verbindung an der linken Seite (1) weiterschaltet, dann erst die Verbindung an der rechten Seite (2) usw. die gesamte Kette hinauf. Dieses Fortschalten kann mit der Art verglichen werden, in der eine Person eine l^eppe hinaufsteigt, wobei bei jedem Schritt das untere Bein einen Schritt vor das obere gesetzt wird. Daher kann das Fortschalten als ein Abschreiten der Widerstandskette angesehen werden, oder als eine Art Bocksprungfolge. Eine Wahrheitstabelle für die Segmentschalter ist in B1Ig. 3 dargestellt.
Bei Befolgung einer solchen Schaltschrittfolge in der gezeigten Wandleranordnung werden die Rollen der Pufferverstärker A1 und A2? -was einleuchtend ist, bei jedem Schritt,
- ίο -
den die Schalter auf der Widerstandskette abschreiten, vertauscht. Es kann mathematisch gezeigt werden, daß dieses Vertauschen der tferstärkerpositionen beim Weiterschalten von einem Knotenpunkt zu einem weiteren Knotenpunkt zwei Punkte weiter entfernt differentielle Nichtlinearitätsfehler, die andernfalls durch Drift verursachte t'ehlanpassung zwischen den Verstärkern entstehen könnten, beseitigt oder signifikant vermindert.
Die zweite Verstärkerstufe 12 weist einen bekannten Wandler mit einem R/2R-Kettennetzwerk auf, bei dem die Netzwerkschalter 30 Halbleiterschalter vom CMOS-Typ sind und spannungssteuernd betrieben werden. Der Schaltplan ist vereinfacht worden, um nur eine begrenzte Anzahl der Schalter für die zwölf Bits darzustellen, die tatsächlich in dem CMOS-Digital-Analog-Wandler enthalten sind. Die Eingänge 1N1 und ΪΝ2 erhalten die ausgewählten Segmentspannungen von den zuvor beschriebenen Pufferverstärkern A1 und A2 und geben entsprechende Potentiale an ein Paar von Zuführleitungen 32 und 34 ab. Die Schalter 30 dienen dazu, die Nebenschlußanschlüsse des R/2R-Kettennetzwerkes mit der einen oder anderen der Zuführleitungen 32, 34 in Übereinstimmung mit einem 12-Bit-Logiksignal zu verbinden, welches den Schaltereingängen zugeführt wird. Ein zusätzlicher Schalter 36 ist vorgesehen, um den das Kettennetzwerk abschließenden Widerstand 38 mit der einen oder der anderen der beiden Zuführleitungen 32, 34 in Übereinstimmung mit dem binären Zustand des vierten Bit (DB12) des 1ö-üit-Eingangssignales zu verbinden .
Die zuvor beschriebene Schaltschrittfolge bewirkt ein Rückgängigmachen des bei jedem vorwärts gerichteten (oder rück-
wärts gerichteten) Abfrageschritt auf der Widerstandskette an den Eingängen der Pufferverstärker A1 und A2 auftretenden Polaritätsweehsels der Spannung. Beim Gegenstand der gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung 272 053 werden die Auswirkungen dieser Umkehr durch einen Umpolschalter beseitigt, der in der Ausgangsschaltung der Pufferverstärker vorgesehen ist. Bei der vorliegenden Erfindung ist ein solcher Umpolschalter nicht vorgesehen, und der Polaritätswechsel wird durch eine entsprechende Steuerung der Gruppe von Schaltern 30 durch eine entsprechende Gruppe von Exklusiv-ODER-Gliedern 40 bewältigt, die als ein Eingangssignal das Binärsignal des vierten Datenbits (DB12) erhalten, sowie durch den zusätzlichen Schalter 36, der in gleicher Weise durch das vierte Datenbit gesteuert wird. Die Logikglieder 40 bewirken die erwünschte Polaritätsumkehr durch Vertauschen der Verbindungen zwischen den Zuführleitungen 32, 34 und den entsprechenden Kettennetzwerkelementen für jeden Vorwärts- oder Rückwärtsschritt auf der Widerstandskette 14. Jede solche wechselweise Umschaltung kann vielleicht so angesehen werden, als kehrt sie das Widerstandskettennetzwerk in bezug auf die Zuführleitungen 32 und 34 um. Genauer gesagt werden die digitalen Steuersignale, die den Netzwerkschaltern 30 zugeführt werden, abwechselnd von der wahren Darstellung der unteren 12-Bit-Signale in das Komplement des 12-Bit-Signals umgeschaltet, wenn die Segmentschalter 16 auf der Widerstandskette 14 stufenweise vor- oder zurückschreiten, in Synchronisation mit diesem Vorgang schaltet der zusätzliche Schalter 36 die Verbindung zum Endwiderstand 38 abwechselnd von einer der Zuführleitungen auf die andere um, so daß der Widerstand immer mit derjenigen Zuführleitung verbunden ist, die das geringere Potential hat.
Das Ergebnis dieser Logik-gesteuerten Umschaltung ist, daß automatisch das richtige Ausgangssignal VQ erzeugt wird, und zwar unabhängig von dem Wechsel in den Rollen der Pufferverstärker A1 und A2, wenn die Segmentschalter 16 stufenweise entlang der Widerstandskette 14 fort- oder zurückgeschaltet v/erden.
L eerseite

Claims (2)

  1. Erxfem
    Postfach 700945
    atraßQ 27
    Frankfurt am SaIn 70
    on (0811)Q17079
    25- März 1983
    Analog Devices, Incorporated, Norwood, MA 02062 / U.S.A.
    Digital-Analog-Wandler hohen Auflösevermögens
    Patentansprüche
    Zweistufiger Digital-Analog-Wandler, dessen erste Stufe (10) eine Gruppe von Bits höherer Ordnung (DB12 - DB15) und dessen zweite Stufe (12) die verbleibenden Bits niederer Ordnung (DB0 - DB11) dekodiert, wobei die erste Wandlerstufe (10) eine Kette in Reihe geschalteter Widerstände (14) aufweist, an der eine Referenzspannung (Vj1-ZVj1+) anliegt, und eine auf diese Bits höherer Ordnung (DB12 - DB15) ansprechende erste Schalteinrichtung (16) zum schrittweisen Herauf- und Herunterschalten an der Widerstandskette (14) vorgesehen ist, um eine erste und zweite Schaltverbindung zu irgendeinem Paar benachbarter Knotenpunkte der Widerstandskette (14) herzustellen und zwischen einer ersten und einer zweiten Abgriffsleitung irgendeine der Spannungen abzugreifen, die an den Widerständen (14) der Kette anstehen, mit einem ersten (A1) und einem zweiten (A2) Pufferverstärker, deren Eingangsschaltung jeweils mit einer der Abgriffsleitungen verbunden ist, an denen die Spannungen der zugeschalteten Knotenpunkte der Widerstandskette (14) anliegen, um eine Spannung für den Eingang (IN1, IN2) der
    ten Wandlerstufe (12) zu erzeugen, wobei die erste Schalteinrichtung (16) so ausgebildet ist,, daß sie jedem Vorwärts- (oder Rück-)-Schritt entlang der Widerstandskette (14) die jeweilige Rolle der Pufferverstärker (A1, A2) vertauscht, indem sie die Verbindung zu nur einem der Knotenpunkte umschaltet, wodurch der zugehörige Pufferverstärker (A1 bzw. A2) mit dem nächsten Knotenpunkt jenseits desjenigen Knotenpunktes verbunden wird, mit dem der andere Pufferverstärker (A2 bzw. A1) verbunden ist, dessen Verbindung zur Widerstandskette (14) dabei unverändert bleibt, wodurch die Pufferverstärker (A1, A2) in wechselnder folge mit den aufeinanderfolgenden Knotenpunkten der Widerstandskette (14) verbunden werden, wenn die erste Schalteinrichtung (16) die Knotenpunkte der Widerstandskette (14) vorwärts oder rückwärts abschreitet,
    Verbindungsmitteln, die die Ausgänge der Pufferverstärker (A1, A2) mit entsprechenden Eingängen (IN1, IN2 bzw. 32, 34) der zweiten Wandlerstufe (12) verbinden, einem R-2R Reihen-ZNebenschluß-Widerstandskettennetzwerk für die zweite Wandlerstufe (12),
    einer Gruppe von Transistorschaltern (30), die so ausgebildet sind, daß sie einen bestimmten Nebenschlußwiderstand (2R) in Übereinstimmung mit dem binären Zustand eines anliegenden Schaltsignales (DJ30 - D±J11) wechselweise mit dem einen oder anderen der Eingänge (jlN1 , 1N2 bzw. 32, 34) der zweiten Wandlerstufe (12) verbinden, einem zusätzlichen Transistorschalter (36) zum wechselweisen Verbinden des Endwiderstandes (38) des Widerstandskettennetzwerkes (R, 2R) mit dem einen oder anderen der Eingänge (IiMi, ±N2 bzw. 32, 34) der zweiten Wandlerstufe (12) in Übereinstimmung mit dem binären Zustand eines
    anliegenden Schaltsignales,
    Schaltmitteln zum Aufgeben der Bits niederer Ordnung (DB0 - DB11) auf jeweils einen '.Transistorschalter (30) dieser Gruppe von Transistorschaltern, wobei diese Schaltmittel Logikelemente (4o) aufweisen, die auf die digitalen Eingangssignale ansprechen, um für jeden Vorwärts-(oder Rück-)-Schritt auf der Widerstandskette (14), der durch die erste Schalteinrichtung (16) bewirkt wird, abwechselnd 1..die Bits niederer Ordnung (DB0 - DB11) zu der Gruppe von Transistorschaltern (30) durchleiten oder 2. die Komplemente dieser Bits (DB0 - DB11) zur Gruppe der Transistorschalter (30) durchleitenf und in Synchronisation mit der ersten Schalteinrichtung (16) arbeitende Einrichtungen (18) zur Wechselbetätigung des zusätzlichen Transistorschalters (36) bei jedem Vorwärts-(oder Rück-)-Schritt auf der Widerstandskette (14), der durch die erste Schalteinrichtung (16) bewirkt wird, wobei die jeweils vertauschten Rollen der Pufferverstärker (A1, A2), die durch die wechselweise Verbindung der Pufferverstärker (A1, A2) mit aufeinanderfolgenden Knotenpunkten der Widerstandskette (14) erzeugt werden, dazu dienen, Abweichungen von der differentiellen Linearität, die anderenfalls durch i?"ehlanpassungen zwischen den Pufferverstärkern (A1, A2) entstehen könnten, zu minimieren,
  2. 2. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wandlerstufe (12) eine CMOS-Stufe mit CMOS-Spannimgsumschaltung ist.
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