DE3400061A1

DE3400061A1 - Digital-analog-wandler

Info

Publication number: DE3400061A1
Application number: DE19843400061
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Phys. 3303 Vechelde Kramer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-01-03
Filing date: 1984-01-03
Publication date: 1985-07-25

Description

Digital-Analog-Wandler
Die Erfindung betrifft Digital-Analog-Wandler mit zwischen den Stufer eingefügten Operationsverstärkern, wie sie irlsbesondere in der Form von multiplizierenden Digital-Sin/Cos.
Wandlern für rechnergesteuerte Winkelsteller benötigt werden.
Die Erfindung von Operationsverstärkern ist nützlich, um den schädlichen Einfluss des nicht verschwindenden "Ein"-Wider stands der elektronischen Schalter zu vermeiden. Sie erlaubt weiterhin Wandlungskonzepte, die automatisch Monotonizität der Wand]ungskennlinie auch bei begrenzter Genauigkeit der Bauteile erreichen. Bei Digital-Sin/Cos-Wandlern ist die Einfügung von Verstärkern zur Erzielung des gewünschten Funktionszusammenhangs erforderlich.
Bisher störte, dass wegen der begrenzten Anstiegsgeschwindigkeit der Operationsverstärker am Ausgang solcher Wandler vorübergehend stark fehlerhafte Werte auftraten, auch wenn der digitale Eingangswert sich nur in kleinen Schritten änderte.
(s.z.B. "Synchro & Resolver Conversion", Firmenschrift 1930, Memory Devices Ltd.,Seite 120).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schaltungskonzepte zu entwickeln, die den Einfluss der Anstiegsgeschwindigkeit auf das Ausgangssignal vermindern oder beseitigen.
Dlese Aufgabe wird erfindungsmässig dadurch gelöst, dass die elektronischen Schalter des Wandlers nicht wie bisher iib]lch direkt durch die einzelnen Bits ( b1,b2...bn) der zu wandelnden Dualzahl gesteuert werden, sondern vielmehr durch aus diesen durch logische Verknüpfung gebildete Steuersignale (B1,B2...Bm); und zwar dergestalt, dass die niederwertigen Bits oder Bitgflippen durch das jeweils nächsthöherwertige Bit invertiert werden. Auf jedes Bit bi einzeln angewandt ergibt diese Vorschrift, nämlich : Bi=bi#bi-1 , die Dualzahl im Gray-Code. Entsprechend der bekannten Eigenschaft des Gray-Codes, dass sich bei Änderung der zu wandelnden Zahl um eine Einheit immer nur ein einziges Bit ändert, ergibt sich beim Grüy Code-Analog-Wandler der Vorteil, dass immer nur ein einziger Schalter im Signalpfad umgesteuert wird, wodurch die bekannter Probleme entfallen, die beim gewöhnlichen Wandler dadurch entstehen, dass manche kleinen Schritte durch Addition grosser entgegengesetzt fast gleicher Sprünge gebildet werden. Fig.1 zeigt einen im Gray-Code arbeitenden digitalen Interpolator, bei dem ) Bits zu einer kaskadierilaren Stufe zusammengefasst sind. Die Stufen sind durch Operationsverstärker entkoppelt.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, Das erste Beispiel (Fig.2) betrifft einen linearen D-A-Wandler, die anderen beziehen sich auf die Verarbeitung von Winkelgrössen. Fig.2 zeigt einen multiplizierenden (genauer: interpolierenden) D-A-Wandler, der aus drei durch Operationsverstärker entkoppelten Stufen besteht. Die Operationsver starker bewirken, dass über die Schalter der ersten beiden Stufen kein nennenswerter Strom fliesst, sodass der Durch-@asswiderstand ("Ein"-Widerstand) ohne Einfluss auf die Ge.
nauigkeit bleibt. Die dritte Stufe ist der Einfachheit halber als normaler R/2R-Interpolator ausgeführt. Die Wirkung dieser Stufe entspricht der eines Potentiometers. Bei gleichmässi gem Anwachsen der digitalen Eingangsgrösse (b1,b2...b14) wird dessen "Schleifer" mit gleichmässiger Geschwindigkeit zwischen den "Anschlägen" hin und her-"bewegt". Die begrenzte Anstiegs geschwindigkeit der Verstärker 5 und 4 hat kaum Einfluss, weil sie immer dann ihren Spannungssprung ausführen, wenn sich der "Schleifer" gerade am gegenüberliegenden "Anschlag" befindet.
Fig.3 zeigt die Anwendung des Schaltungsprinzips zur Koor dinatendrehung. Interpretiert man die Eingangssignale als E1= R-sin # und E2= R.cos(f, so erzeugt die Schaltung eine Ausgangsspannung A= R.sin(#+#), wobel der Drehwinkel n durch (b1,b2. . .b12) im natürlichen Binärformat gegeben ist. Der Kosinus kann in einem zweiten, analog aufgebauten Kanal gebildet werden. Die Genauigkeit der angewandten Näherung entspricht der Annäherung des Kreises durch ein 16-Eck. Durch Einfügen einer der 2.Stufe entsprechenden Stufe 2a zwischen Stufe 2 und Stufe 3 lässt sich die Annäherung auf die eines 64 Ecks verbessern. Die Ausbildung des digitalen Interpolators der Stufe 5 sowie die Erzeugung der Steuersignale (B1, B2...B12) ist wie in Fig.2 gezeigt.
In den Beispielen von Fig.2 und Fig.3 wurden die (erfindungsgemäss periodisch invertierten) niederwertigen Bits benutzt, um zwischen durch die höherwertigen Bits ausgewählten Spannungen zu interpolieren, was eine monotone Wandlerkennlinie sicherstellt. Dl.e eingefügten Verstärker müssen jedoch müssen auch hier Spannungssprünge ausführen, deren Auswirkung allerdings klein bleibt. Ganz vermieden werden Sprünge in dem durch Fig.4 erläuterten Schema, bei dem aus den niederwertigen Bits ein Satz von dreieckförmigen Signalen gebildet wird, von denen gemäss den höherwertigen Bits das Jeweils passende ausgewählt wird. Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist der in FIg.5 scilematiscl gezeigte Koordioatendreher. Hier wird im linken Teil dem durch die Eingangssignal repräsentierten Winkel ein den (periodisch invertierten) niederwertigen Bits entsprechender Winkel hinzuaddiert bzw abgezogen. Im Mittel teil werden durch Linearkombination 16 auf den Vollkreis verteilte Signale gebildet, von denen im rechten Teil die passenden als Ausgangssignale ausgewählt werden.
Liegt die zu wandelnde Digitalzahl als Stand eines Vor-Riickwärts-Zählers vor, so lässt sich durch entsprechende Ausbil dung des Zählers erreichen, dass die Steuersignale (B1,...Bn) direkt an den Zählerausgängen erscheinen.

Claims

Patentansprüche: 1. Digita]-Ana]ogWandler aus Schaltern, Widerständen und Verstärken dadurch gekennzeichnet, dass die elektroni schen Schalter durch Steuersignale (B1, B2...Bn) gesten ert werden, die durch loglsctle Verknüpfung aus den Bits (b1,b2...bm) der zu wandelnden Dualzahl abgeleitet sind, und zwar dergestalt, dass einzelne oder eine Gruppe on niederwertigen Bits durch das Jeweils nächsthöherwertige Bit invertiert werden.
2. Koordinatendrener, d.h. ein Digital-Analog-Wandler, dessen Bauelemente so bemessen und vebunden sind, dass aus den analogen Eingangsspannungen E1=R.sin# und E2=R.cos# und dem digital vorliegenden Drehwinkel 0 mindestens eines der gedrehten Ausgangssignale A1=R-sin(#+#), A2=R.cos(#+#) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet dass die Steuersignale wie beim Wandler nach Anspruch 1 gebildet werden.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2 , bestehend aus mehreren durch Operationsverstärker entkoppelten Stufen, von deerzen die niederwertigen zwischen zwei vor der jeweils nächsthönerwertigen Stufe gelieferten Spannungen int-erpolieren.
4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch das folgende Funktionsschema : Die Bits der zu wandelnder Dualzahl sind in zwei Gruppen geteilt. Die niederwertige Gruppe wird abhängig vom nächsthöneren Bit invertiert.

Aus den analogen Eingangssignalen und den gegebenenfalls invertierten Bits wird ein Satz von Zwischensignalen fre bildet.. Diese, bzw. die von ihnen repräsentierten Winkel sind Dreiecksfunktionen der digitalen Eingangsgrösse (Fig.4), die sich durch konstante Stufen und die Polarl tät der Dreiecksfunktion unterscheiden. Von der höherwerteigen Bitgruppe gesteuerte Schalter wählen jeweils einen der Zwischensignale als Ausgangssignal, dergestalt; dass der gewünschte kontinuierliche Funktionszusammenhang(fette Linie in Fig.4) entsteht.