DE3606894A1 - Digital-analog-wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Wandler (DAW) zur Umsetzung eines digitalen Eingangscodes in die entsprechende analoge Ausgangsspannung. Das Einsatzgebiet liegt bei digitalen Systemen, wo eine schnelle, hochgenaue und hochauflösende Umwandlung erforderlich ist.

In der überwiegenden Mehrheit der herkömmlichen DAW wird der digitale Eingangscode einer Analog-Schaltermatrix zugeführt, die über ein Widerstandsnetzwerk binär gestufte Teilströme erzeugt. Alle Teilströme werden in einer Summier-Einheit addiert und ggf. noch verstärkt, so daß am Ausgang eine dem angelegten Eingangscode proportionale Spannung abgegriffen werden kann. Grundsätzlich wird daher zwischen DAW mit Strom- oder Spannungsausgang unterschieden.

Die DAW erfordern eine hohe Anzahl der Bauteile. Die Wider­ standswerte müssen genau aufeinander abgeglichen werden, wobei das Driftverhalten möglichst identisch sein soll. Die Streu­ kapazitäten sowie Schaltverzögerungen der Analogschalter verursachen hohe transiente Spannungsspitzen. Da DAW mit einem niederohmigen Stromausgang und ggf. dem vom Eingangscode abhängigen Ausgangswiderstand kaum brauchbar sind, setzt man Ausgangangsverstärker ein. Die neuen Fehlerquellen, wie z.B. Offsetspannung, Neigung zum Überschwingen, hohe Impulsver­ zögerungszeit, müssen in Kauf genommen werden.

Ein einfachstes Umsetzverfahren ergibt ein DAW mit Rückwerts- Zähler und Integrator. Die Schaltung enthält auch einen einzigen Schalter. Der Eingangscode wird in den Zähler geladen. Der Zählvorgang wird ausgelöst und zugleich der Schalter geschlossen, so daß die Ausgangsspannung des Integrators von Massepotential linear ansteigt. Hat der Zähler den Nullstand erreicht, so wird der Schalter geöffnet, wobei der Integrator das Umsetzergebnis speichert.

Der DAW bietet sehr hohe Genauigkeit, große Störungssicherheit, extrem kleine Nichtlinearitäten und genügt der Bedingung der Monotonität. Die Schaltung ist auch äußerst einfach. Allerdings ist der DAW außergewöhnlich langsam und deswegen für den Anwender praktisch bedeutungslos.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen DAW anzugeben, der die oben genannten Vorteile sowie hohe Umsetzgeschwindig­ keit aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem DAW mit Zähler und Integrator der eingangs genannten Art gelöst durch die Maßnahme des Anspruchs 1.

Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die Zeich­ nungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegen der Kondensator C und der Schalter S in Rückführung des Operationsverstärkers (OV) A. Sein positiver Eingang führt zu Masse. An den negativen Eingang ist auch die steuerbare Stromquelle J angeschlossen.

Die höher- und die niederwertigen Datenbit des Eingangscodes werden in die Rückwärts-Zähler jeweils Z 2 und Z 1 geladen, die anschließend für die Taktimpulse eines Generators freigegeben werden. Zugleich wird der Schalter S geöffnet. Die Ausgangs­ spannung des OV A steigt nun zeitlinear an.

Erreicht einer der Zähler den Nullstand, so wird der Strom der Stromquelle J entsprechend verringert. Erreicht der letzte Zähler den Nullstand, so wird der Strom gleich Null; die Umwandlung ist abgeschlossen. Das Umsetzergebnis ist im Kondensator C gespeichert und liegt am Ausgang des OV A. Der Kondensator wird vor einer neuen Umsetzperiode entladen durch ein kurzzeitiges Einschalten des Schalters S.

Die gleiche Arbeitsweise ergibt sich bei einer Schaltung mit dem OV A als Spannungsfolger. Der Schalter S und der Kondensator C sind zwischen dem Eingang des OV A und Masse angeschlossen. Die Stromquelle J führt zum Eingang.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wurde die steuerbare Strom­ quelle am Beispiel der Spannungsquelle -V mit den Schaltern S 1 und S 2 sowie 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. Der Eingangscode wird in die Zähler Z 2 und Z 1 geladen, die anschließend freigegeben werden. Zugleich werden die jeweiligen Schalter S 2 und S 1 geschlossen und der Schalter S geöffnet. Die Ausgangsspannung des OV A steigt nun linear an. Erreicht einer der Zähler den Nullstand, so wird der jeweilige Schalter geöffnet. Wird der letzte Schalter geöffnet, so ist die Umwandlung abgeschlossen.

Wird ein Schalter der gleichen Baureihe in der Rückkopplung des Verstärkers der Bezugsspannungsquelle verwendet, so kann z.B. das Driftverhalten der Schalter S 1 und S 2 berücksichtigt werden.

Der DAW nach Fig. 1 kann um eine zweite ähnliche Schaltung erweitert werden, die wenigstens einen Zähler enthält. Insbesondere wird der positive Eingang des ersten OV zum Ausgang des zweiten OV statt zu Masse geführt. Jeder Zähler verringert einmal den Strom der zugeordneten Stromquelle bei Erreichung des Nullstands. Der besondere Vorteil der Schaltungsanordnung ist eine größere Auswahl der einzelnen Bauteilewerte, was bei einer hohen Auflösung des DAW wesentlich ist.

Die Anstiegsgeschwindigkeit des OV A wird verringert, wenn das Verhältnis des Stromwerts der Stromquelle zum Kondensatorwert verringert wird. Ein Schalter-Kondensatornetz mit den in Reihe geschalteten Einzel-Kondensatoren kann anstelle des Konden­ sators C eingesetzt werden. Der Kondensatorwert wird nun verändert, so daß im Sonderfall der Strom der Stromquelle J konstant sein kann.

Ist der Schalter S geschlossen, so soll die Ausgangsspannung gleich Null sein. Das ist ein besonders günstiger Fall zur automatischen Korrektur des Offsetfehlers. Wird dazu ein Komparator eingesetzt, so soll er nun schwingen. Das ist sehr leicht feststellbar.

Die übrigen Fehler werden am besten auf digitale Weise korrigiert. Wenigstens einem Zähler wird ein ROM zugeordnet. Die Datenbit werden an die Eingänge der ROM gelegt; die zuvor in den ROM gespeicherten Korrekturwerte ergeben je eine Bit­ anzahl. Der Eingangscode kann in die Zähler geladen und durch ihre De- und/oder Inkremierung korrigiert werden. Beim Einsatz eines digitalen Addierers werden die einzelnen ROM-Ergebnisse zum Eingangscode addiert; das Ergebnis wird in die Zähler geladen.

Die Ausgangsspannung des DAW ist gespeichert, frei von tran­ sienten Spannungspitzen (glitches) und liegt an seinem bereits niederohmigen Ausgang. Für den Eingangscode, der nur "1" enthält, ergibt sich eine längste Umsetzzeit. Sie kann fast halbiert werden; die Code von einem höheren Wert können in einem zweiten parallel geschalteten DAW gleicher Art umgesetzt werden, der im Ruhezustand eine maximale Ausgangsspannung aufweist. Die Spannung wird nun verringert.

Claims (5)

1. Digital-Analog-Wandler mit Zähler und Integrator zur Umsetzung digitales Eingangscodes in analoge Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter, ein Kondensator und eine steuerbare Stromquelle an den negativen Eingang eines Operationsverstärkers angeschlossen sind, daß sein positiver Eingang zu Masse führt, daß an seinen Ausgang der Schalter und der Kondensator angeschlossen sind, daß der Eingangcode in wenigstens zwei Gruppen der Datenbit untergeteilt wird, die je in einen Zähler geladen werden, daß der Schalter ein- und abgeschaltet wird und die Zähler für die Taktimpulse eines Generators freigegeben werden, daß jeder Zähler bei Erreichung eines bestimmten Zählerstands einmal den Strom der Stromquelle verringert, daß das Umsetzergebnis am Ausgang des Verstärkers liegt, wenn der Strom gleich Null ist.

2. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der negative Eingang und der Ausgang des Opera­ tionsverstärkers verbunden sind, daß an seinen positiven Eingang der Schalter, der Kondensator und die Stromquelle angeschlossen sind, wobei der Schalter und der Kondensator zu Masse führen.

3. Digital-Analog-Wandler nach Anspruch 1 oder 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schaltungen mit je einem Schalter, einem Kondensator, einer Stromquelle, einem Operationsver­ stärker und wenigstens einem Zähler vorhanden sind, daß der positive Eingang des ersten Verstärkers zum Ausgang des zweiten Verstärkers statt Masse führt, daß das Umsetzergebnis am Ausgang des ersten Verstärkers liegt, wenn die Ströme der Stromquellen gleich Null sind.

4. Digital-Analog-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator aus einem Schalter-Kondensatornetzwerk besteht, wobei die einzelnen Kondensatoren in Reihe geschaltet sind, daß während des Umsetz­ vorgangs das Verhältnis des Stromwerts der Stromquelle zum Kondensatorwert verringert wird.

5. Digital-Analog-Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einem Zähler ein ROM zugeordnet ist, daß die Datenbit an die Eingänge der ROM gelegt werden, wobei die in den ROM gespeicherten Korrekturwerte die Bitanzahl ergeben, um die der Eingangscode zu verringern oder zu vergrößern ist.