DE3606893A1

DE3606893A1 - Analog-digital-wandler

Info

Publication number: DE3606893A1
Application number: DE19863606893
Authority: DE
Inventors: Zdzislaw Gulczynski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-03-03
Filing date: 1986-03-03
Publication date: 1987-09-10
Also published as: US4940982A

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Wandler (ADW) zur Umsetzung einer analogen Eingangsspannung in den entsprechenden digitalen Ausgangscode. Das Einsatzgebiet liegt bei digitalen Systemen, wo eine schnelle, hochgenaue und hochauflösende Umwandlung erforderlich ist.

Die ADW werden in zwei Gruppen eingegliedert: indirekte und direkte ADW. Zu den indirekten ADW gehören alle ADW, die mit dem integrierenden Umsetzverfahren arbeiten. Zum engeren Fachgebiet der Erfindung gehört der Single-Slope-ADW; ein Zähler zählt solange Taktimpulse, bis die von Massepotential linear ansteigende Integratorspannung den Wert der Eingangsspannung erreicht hat. Kippt ein Komparator, so wird der Zähler angehalten, wobei das Umsetzergebnis an seinem Ausgang liegt.

Die indirekten ADW bieten sehr hohe Genauigkeit, große Störungssicherheit, Unterdrückung periodischer Störsignale und extrem kleine Nichtlinearitäten, genügen der Bedingung der Monotonität und schließen weitgehend fehlende Codes aus. Sie sind durch die direkten ADW lediglich an der hohen maximalen Umsetzgeschwindigkeit übertroffen.

Bei den direkten ADW wird die Eingangsspannung unmittelbar digitalisiert. Zu der Gruppe gehören auch Parallel-Serien-ADW; die Eingangsspannung wird im Parallel-ADW in höherwertige Datenbit umgesetzt. Die Datenbit werden anschließend in einem Digital-Analog-Wandler (DAW) in eine Spannung umgesetzt, die nun von der Eingangsspannung subtrahiert, verstärkt und in niederwertige Datenbit umgesetzt wird. In realen Wandlersystemen ist zusätzlich eine digitale Korrektur erforderlich.

Nach dem heutigen Stand der Technik ist das die einzige Methode zur Ausführung eines hochauflösenden ADW mit einer hohen Umsetzgeschwindigkeit. Allerdings ist der Aufwand sehr groß. Da die Fehlerquellen vervielfacht werden, sind das Herstellungsverfahren und die Verwendung sehr umständlig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen ADW anzugeben, der die Vorteile der indirekten ADW sowie hohe Umsetzgeschwindigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem ADW mit Komparator, Integrator und Zähler der eingangs genannten Art gelöst durch die Maßnahme des Anspruch 1.

Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 einen üblichen S

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Im ADW nach Fig. 1 erfolgt die Umsetzung in zwei Phasen. Der Widerstand R wird zuerst vernachlässigt.

Die Eingangsspannung wird an einen Eingang des Komparators K gelegt. Der Ausgang des DAW D ist über den Kondensator C und über den Schalter S an den übrigen Eingang angeschlossen. Eine kürzeste Umsetzzeit ergibt sich, wenn die Anfangszustände der Zähler Z 1 und Z 2 einen Mittelwert aufweisen. Das Komparatorergebnis bestimmt die Stromrichtung der Stromquelle J sowie die Zählrichtung.

Die erste Umsetzphase fängt an, wenn, im eingeschwungenen Zustand des DAW D, der Schalter S geöffnet und der Zähler Z 2 für die Taktimpulse eines Generators freigegeben wird. Die sich nun linear verändernde Ausgangsspannung der Stromquelle J wird im Komparator K mit der Eingangsspannung verglichen. Kippt er, so wird der Schalter S geschlossen und der Zähler Z 2 angehalten, wobei das Zählergebnis im Zwischenspeicher B gespeichert, durch den DAW D abgegriffen und in eine Spannung umgesetzt wird.

Während der zweiten Umsetzphase wird der Schalter S geöffnet, der Strom der Stromquelle J verringert, ggf. umgepolt und der Zähler Z 1 freigegeben. Kippt der Komparator K, so liegen die höher- und die niederwertigen Datenbit, d. h. der Ausgangscode, an den Ausgängen der Zähler jeweils Z 2 und Z 1. Es ist anzudeuten, daß der Zustand des Zählers Z 2 zum Schluß der ersten und der zweiten Umsetzphase verschieden sein kann. Die Zähler sind in einer Kette geschaltet, so daß der Überlauf des Zählers Z 1 den Zustand des Zählers Z 2 beeinflußt.

Bei der Freigabe des Zählers Z 1 wird das Verhältnis des Stromwerts der Stromquelle J zum Kondensatorwert verringert. Ein Schalter-Kondensatornetz kann anstelle des Kondensators C eingesetzt werden; der Kondensatorwert kann nun verändert werden. Im Sonderfall wird lediglich die Stromrichtung geschaltet.

Der beim geöffneten Schalter S am Widerstand R erzeugte Spannungsabfall wirkt wie eine Offsetspannung des Komparators B. Sein Kippvorgang wird frühzeitig ausgelöst, wobei seine Laufzeit, die Verzögerungszeit der Zähler, usw. berücksichtigt werden. Gilt nämlich die Beziehung:

t = rc

dann erreicht die Kondensatorspannung einen Wert, als wenn die Verzögerungszeit gleich Null wäre und zwar unabhängig vom Stromwert der Stromquelle J. t, r und c sind die Werte jeweils der Verzögerungszeit, des Widerstands R und des Kondensators C.

Ein vereinfachter ADW ergibt sich, wenn der DAW D eine konstante Spannung ausgibt und ggf. durch eine Spannungsquelle, im Sonderfall Masseanschluß, ersetzt wird. Der Speicher B entfällt. Der Schalter S wird nur einmal geöffnet und zwar am Anfang des Umsetzvorgangs.

Der Einsatz des in Fig. 2 gezeigten üblichen SampleVerstärkers (SHV) wird von Vorteil, z. B. wenn der Ausgangswiderstand des DAW D zu hoch ist. Die Stromquelle J führt immer zum Anschlußpunkt des Schalters S und des Kondensators C. Der Ein- und Ausgang des SHV führen jeweils zum Ausgang des DAW D und dem entsprechenden Eingang des Komparators K.

Eine Schaltungsanordnung ergibt sich, wenn die Eingangsspannung über den Schalter S einem Eingang des Komparators K zugeführt und im Kondensator C abgespeichert wird. Der übrige Eingang des Komparators K und der Kondensator C führen zu Masse. Die Umsetzung erfolgt in gleicher Weise, wobei der Komparator K jedesmal kippt, wenn die Kondensatorspannung die Polarität ändert.

Ist ein hoher Eingangswiderstand des ADW erforderlich, so kann der SHV nach Fig. 2 eingesetzt werden. Die Eingangsspannung wird an den Eingang des SHV gelegt, wobei sein Ausgang zum entsprechenden Eingang des Komparators K führt.

Fig. 3 stellt ein einfaches Ausführungsbeispiel dar. Die bipolare steuerbare Stromquelle J wurde am Beispiel der zwei Spannungsquellen V und -V mit den Schaltern S 1 und S 2sowie den Widerständen R 1 und R 2 dargestellt. Die Aufgabe des Widerstands R 3 besteht lediglich darin, einen gleichen Strom der Schalter S 1 und S 2 zu erzeugen; der Wert des Widerstands R 1 ist größer als R 2.

Im Ruhezustand sind die Schalter S 1 und S 2 geöffnet und der Schalter S geschlossen. Am Anfang der Umsetzung wird der Zähler Z 2 freigegebenen und die Schalter S und S 2 umgeschaltet. Die nun linear ansteigende Kondensatorspannung wird im Komparator K mit der Eingangsspannung verglichen. Kippt er, so wird der Zähler Z 2 angehalten, der Rückwärtszähler Z 1 freigegebenen und die Schalter S 1 und S 2 umgeschaltet. Die Kondensatorspannung fällt nun linear ab. Kippt der Komparator K, so wird der Zähler Z 1 angehalten und die Schalter S und S 1 umgeschaltet. Der entgültige Ausgangscode liegt am Ausgang der Zählerkette an.

Die Eingangsspannung kann in einem ADW, z. B. Flash-ADW, in höherwertige Datenbit umgesetzt werden, die in wenigstens einen Zähler, z. B. Z 2, geladen werden. Der ADW schätzt also zuerst die Eingangsspannung ab und bestimmt den Mittelwert, der nun im DAW D umgesetzt wird. Anschließend folgen die zwei bereits beschriebenen Umsetzphasen.

Der Einsatz des Komparators K ist für den Abgleich des Offsetfehlers des ADW vorteilhaft. Ist die Eingangsspannung gleich Null, so soll er schwingen. Das ist sehr einfach feststellbar.

Die übrigen Fehler werden am besten auf digitale Weise korrigiert. Dem Zähler Z 2 kann ein ROM mit einem Zwischenspeicher und ggf. dem Zähler Z 1 ein ROM nachgeschaltet werden, wobei der Zählerstand abgespeichert wird, wenn der Zähler Z 2 angehalten wird. Die zuvor in den ROM gespeicherten Korrekturwerte ergeben je eine Bitanzahl. Der Ausgangscode kann durch die De- und/oder Inkremierung der Zähler korrigiert werden. Beim Einsatz eines digitalen Addierers werden die einzelnen ROM-Ergebnisse zum Zählerergebnis addiert.

Claims

1. Analog-Digital-Wandler mit Komparator, Integrator und Zähler zur Umsetzung analoger Eingangsspannung in digitalen Ausgangscode, dadurch gekennzeichnet, daß an den erten Eingang des Komparators die Eingangsspannung gelegt wird, daß an den zweiten Eingang eine Stromquelle und über einen Kondensator parallel zu einem Schalter der Ausgang eines Digital-Analog- Wandlers angeschlossen sind, daß das Komparatorergebnis die Stromrichtung der Stromquelle sowie die Zählrichtung bestimmt, daß am Anfang des Umsetzvorgangs der Schalter geöffnet und der höherwertigste Zähler einer Zählerkette für die Taktimpulse eines Generators freigegebeen wird, wobei der Schalter geschlossen und der Zähler angehalten wird, wenn der Komparator kippt, daß anschließend der am Ausgang der Zählerkette anliegende Ausgangscode durch den Wandler abgegriffen und in eine Spannung umgesetzt wird, daß der Vorgang wiederholt wird, wobei der Strom der Stromquelle verringert, ggf. umgepolt und der niederwertige Zähler freigegeben wird, wobei sein Überlauf den höherwertigen Zähler beeinflußt, daß die Umsetzung abgeschlossen ist, wenn der niederwertigste Zähler angehalten wird.

2. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Digital-Analog-Wandler eine konstante Spannung ausgibt und ggf. durch eine Spannungsquelle ersetzt wird, daß am Anfang des Umsetzvorgangs der Schalter einmal geöffnet wird.

3. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle an den Kondensator und den Schalter angeschlossen ist, wobei der Kondensator und der Schalter einem Sample gehören, daß sein Ein- und Ausgang jeweils zum Ausgang des Digital-Analog-Wandlers und dem zweiten Eingang des Komparators führt.

4. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers zum ersten Eingang des Komparators führt, daß die Eingangsspannung über den Schalter dem zweiten Eingang zugeführt wird.

5. Analog-Digital-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle an den Kondensator und den Schalter angeschlossen ist, wobei der Kondensator und der Schalter einem Sample gehören, daß an seinen Eingang die Eingangsspannung gelegt wird, daß sein Ausgang zum zweiten Eingang des Komparators führt.

6. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator aus einem Schalter-Kondensatornetzwerk besteht, daß bei der Freigabe eines niederwertigen Zählers das Verhältnis des Stromwerts der Stromquelle zum Kondensatorwert verringert wird.

7. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand in Reihe mit dem Kondensator geschaltet ist.

8. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsspannung in einem Analog-Digital-Wandler in höherwertige Datenbit umgesetzt wird, wobei die Datenbit in wenigstens einen Zähler geladen werden, daß der weitere Umsetzvorgang anfängt, wenn der Ausgangscode im Digital-Analog-Wandler umgesetzt ist.

9. Analog-Digital-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem Zähler ein Zwischenspeicher nachgeschaltet wird, wobei der Zählerstand abgespeichert wird, wenn der Zähler angehalten wird, daß dem Speicher ein ROM nachgeschaltet wird, daß die in den ROM gespeicherten Korrekturwerte die Bitanzahl ergeben, um die der Ausgangscode zu verringern oder zu vergrößern ist.