DE3734874A1 - Analog-digital-umsetzer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer bzw. Umsetzer gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.

Derartige Umsetzer bzw. Wandler sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und werden dazu verwendet, um eine analoge Eingangsspannung in eine dazu proportionale Zahl in Form eines beispielsweise binär-kodierten Ausgangssignales umzuwandeln. Neben Analog-Digital-Umsetzern, die nach dem Wägeverfahren oder nach dem Zählverfahren arbeiten sind auch solche bekannt, die zur Umwandlung der Eingangsspannung in das digitale Ausgangssignal ein Parallelverfahren verwenden, wobei bei diesen letztgenannten Umsetzern die Eingangsspan­ nung einer Vielzahl von Komparatoren gleichzeitig, d. h., parallel zugeführt und in den Komparatoren zur Gewinnung des digitalen Ausgangssignals mit äquidistanten Referenzspannun­ gen verglichen wird. Vorteil dieser Umsetzer ist, daß das Ausgangssignal ohne eine wesentliche zeitliche Verzögerung erhalten wird. Nachteilig ist aber auch, daß diese nach dem Parallelverfahren arbeitenden Analog-Digital-Umsetzer eine hohe Anzahl von Komparatoren benötigen, d. h., die Anzahl der Komparatoren ist gleich 2 ^{n -1} wobei n die Anzahl der Ausgänge bzw. Bits des digitalen Signalausgangs ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Analog-Digital-Umsetzer bzw. -Wandler aufzuzeigen, der unter Beibehaltung der grundsätzlichen Vorteile bekannter, nach dem Parallelver­ fahren arbeitender Analog-Digital-Umsetzer mit einer wesent­ lich kleineren Anzahl an Komparatoren auskommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Analog-Digital-Umsetzer erfindungsgemäß entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Der wesentlich Vorteil des erfindungsgemäßen Analog-Digi­ tal-Umsetzers besteht darin, daß die Anzahl der benötigten Komparatoren gleich der Anzahl der Ausgänge bzw. Bits des digitalen Ausgangssignales ist, d. h., beispielsweise bei einem 4-Bit Signalausgang werden auch nur vier Komparatoren benötigt.

Dieser Vorteil wird bei dem erfindungsgemäßen Analog-Digital- Umsetzer dadurch erreicht, daß nur der dem Bit mit der höchsten Wertigkeit (MSB) zugeordnete Komparator eine von einer Grundreferenzspannung gebildete feste Referenzspannung aufweist, während die den übrigen Bits bzw. Komparatoren zugeordneten Referenzspannungen variabel sind und aus einer festen Grundreferenzspannung bestehen, zu der sich jeweils die Grundreferenzspannung eines oder mehrerer Bits höherer Wertigkeit dann hinzuaddiert, wenn die Eingangsspannung gleich oder größer ist als die an den dortigen Komparatoren (Bits höherer Wertigkeit) anliegende Referenzspannung, also eine digitale Rückkopplung vom Signalausgang auf die Elemente zur Erzeugung der Referenzspannungen in der Form erfolgt, daß das digitale Ausgangssignal die Größe dieser Referenzspannun­ gen steuert.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in vereinfachter Darstellung die Schaltung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Analog-Digital- Umsetzers;

Fig. 2 in einer tabellarischen Aufstellung die analoge Eingangsspannung, das digitale Ausgangssignal sowie die an den Komparatoren in Abhängigkeit von dem Eingangssignal anliegenden Referenzspannungen;

Fig. 3 und 4 in vereinfachter Darstellung die Schaltung weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers;

Fig. 5 ein Zeit-Diagramm von an den Ausgängen von Impulsbrei­ ten-Generatoren anliegenden Signalen bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 4.

Der in der Fig. 1 Analog-Digital-Umsetzer besitzt einen 4-Bit-Signalausgang, der in Abhängigkeit von der analogen Eingangsspannung Uin ein binäres bzw. binär-kodiertes digitales Ausgangssignal D liefert und die vier Anschlüsse bzw. Bits B 1, B 2, B 3 und B 4 besitzt, von den B 4 das Bit mit der höchsten Wertigkeit (Most Significant Bit - MSB) und B 1 das Bit mit der niedrigsten Wertigkeit (Least Significant Bit - LSB) sind.

Jeder Anschluß B 1-B 4 ist jeweils von dem Ausgang 1 eines Komparators K 1, K 2, K 3 bzw. K 4 gebildet, und zwar der
Anschluß B 1 von dem Ausgang 1 des Komparators K 1, der
Anschluß B 2 von dem Ausgang 1 des Komparators K 2, der
Anschluß B 3 von dem Ausgang 1 des Komparators K 3 und der
Anschluß B 4 von dem Ausgang 1 des Komparators K 4.

Die Komparatoren K 1-K 4 sind in schaltungstechnischer Hinsicht jeweils identisch ausgeführt und besitzen jeweils zwei Eingänge 2 und 3, von denen bei der dargestellten Ausführungsform der positive Eingang 2 jeweils mit der analogen Eingangsspannung Uin und der negative Eingang 3 mit einer Gleich- bzw. Referenzspannung beaufschlagt sind, und zwar der Eingang 3 des Komparators K 1 mit der Referenzspan­ nung UR 1, der Eingang 3 des Komparators K 2 mit der Referenz­ spannung UR 2, der Eingang 3 des Komparators K 3 mit der Referenzspannung UR 3 und der Eingang 3 des Komparators K 4 mit der Referenzspannung UR 4.

Zum Zuführen der Gleichspannung Uin dienen die beiden Anschlüsse 4 und 5, die den Eingang des Analog-Digital-Um­ setzers bilden und von denen der Anschluß 5 mit einem gemeinsamen Schaltungspunkt 7 (z. B. Schaltungsmasse) des Analog-Digital-Umsetzers und der Anschluß 4 über eine Leitung 6 mit den Eingängen 2 sämtlicher Komparatoren K 1-K 4 verbunden sind, so daß die mit ihrem positiven Pol an den Anschluß 4 angeschlossene Eingangsspannung Uin parallel zur den Eingängen 2 sämtlicher Komparatoren K 1-K 4 liegt.

Die Komparatoren K 1-K 4 sind weiterhin so ausgebildet, daß sie an ihrem Ausgang 1 ein Signal in Form einer positiven Spannung (in Fig. 2 mit "1" bezeichnet) nur dann aufweisen, wenn die Eingangsspannung Uin gleich oder größer als die jeweilige Referenzspannung UR 1-UR 4 ist, während ansonsten der Spannungswert Null (in Fig. 2 mit "0" angegeben) an dem Ausgang 1 des betreffenden Komparators K 1-K 4 anliegt.

Zur Erzeugung der Referenzspannungen UR 1-UR 4 ist jedem Komparator K 1-K 4 eine Referenz-Spannungsquelle zugeordnet, die bei der dargestellten Ausführungsform jeweils ein aus Widerständen aufgebautes Spannungsteilernetzwerk ST 1, ST 2, ST 3 bzw. ST 4 ist, wobei das Spannungsteilernetzwerk ST 1 an seinem Ausgang 8 die Referenzspannung UR 1, das Spannungstei­ lernetzwerk ST 2 an seinem Ausgang 9 die Referenzspannung UR 2, das Spannungsteilernetzwerk ST 3 an seinem Ausgang 10 die Referenzspannung UR 3 und das Spannungsteilernetzwerk ST 4 an seinem Ausgang 12 die Referenzspannung UR 4 liefern, und zwar jeweils bezogen auf die Schaltungsmasse 7.

Die Spannungsteilernetzwerke ST 1-ST 4 sind mit ihren Eingängen 13-16 jeweils an den positiven Pol einer Gleich- bzw. Referenzspannungsquelle UR (Konstant-Spannungsquelle) angeschlossen, die mit ihrem negativen Pol mit der Schal­ tungsmasse 7 verbunden ist und die bei der dargestellten Ausführungsform eine Spannung von 16 Volt liefert.

Die Spannungsleiternetzwerke ST 1-ST 4 sind aus den Wider­ ständen R 1 und R 2 aufgebaut, wobei der Widerstand R 1, aber auch der Widerstand R 2 in allen Spannungsteilernetzwerken jeweils den gleichen Widerstandswert besitzt und der Wider­ standswert jedes Widerstandes R 2 doppelt so groß ist als der entsprechende Widerstandswert des Widerstandes R 1. Weiterhin sind die Spannungsteilernetzwerke ST 1-ST 4 derart ausge­ führt, daß sie jeweils einen im Vergleich zu den Eingängen 3 der Komparatoren K 1-K 4 niederohmigen Ausgang 8-12 be­ sitzen, so daß die Referenzspannungen UR 1-UR 4 durch den Eingangswiderstand der Komparatoren K 1-K 4 praktisch nicht beeinflußt wird.

Das Spannungsteilernetzwerk ST 4 für den Komparator K 4 bzw. für das Bit B 4 liefert die feste Referenzspannung UR 4 und besteht aus den beiden Widerständen R 2, die in Serie zwischen dem Eingang 16 und der Schaltungsmasse 7 liegen und einen festen Spannungsteiler S 1 bilden, so daß an dem Ausgang bzw. an dem Verbindungspunkt 18 der beiden Widerstände R 2 bei der dargestellten Ausführungsform ½ UR, d. h., 8 Volt anliegt.

Das Spannungsteilernetzwerk ST 3 ist als R-2R-Netzwerk ausgebildet. Dieses Netzwerk setzt sich aus dem Spannungs­ teiler S 1 der beiden Widerstände R 2, die zwischen dem Eingang 15 und der Schaltungsmasse 7 liegen, sowie aus einer zweiten Spannungsteiler S 2 zusammen, der von den beiden Widerständen R 1 und R 2 gebildet sind, wobei der Widerstand R 1 des Span­ nungsteilers S 2 an den Verbindungspunkt 18 des Spannungstei­ lers S 1 und der Widerstand R 2 des Spannungsteilers S 2 an einen Umschalter U 1 angeschlossen ist, mit welchem der Widerstand R 2 des Spannungsteilers S 2 wahlweise mit der Schaltungsmasse 7 und dem Eingang 15 vrbunden werden kann, so daß im ersten Fall der Spannungsteiler S 2 zwischen dem Verbindungspunkt 18 und der Schaltungsmasse 7 und im zweiten Fall zwischen dem Verbindungspunkt 18 und dem Eingang 15 liegt. Der Verbindungspunkt 19 zwischen den Widerständen R 1 und R 2 bildet den Ausgang 11 des Spannungsteilernetzwerks ST 3. Der Umschalter U 1 ist ein elektrisch steuerbarer Schalter, der z. B. von wenigstens einem Transistor gebildet und über eine Steuerleitung 20 derart ansteuerbar ist, daß bei Fehlen eines Signals an der Steuerleitung 20 der Um­ schalter U 1 den Spannungsteiler S 2 mit der Schaltungsmasse 7 und bei Anliegen eines Signals an der Steuerleitung 20 mit dem Eingang 15 verbindet. Da die Steuerleitung 20 an den Ausgang 1 des Komparators K 4 angeschlossen ist, liefert das Spannungsteilernetzwerk ST 3 zwei in ihrer Größe unterschied­ liche und von dem Ausgangssignal des Komparators K 4 bzw. von dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers abhängige Referenzsignale UR 3, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.

Das Spannungsteilernetzwerk ST 2 besteht aus den beiden Spannungsteilern S 1 und S 2 und einem weiteren Spannungsteiler S 3. Die beiden Widerstände R 2 des Spannungsteilers S 1 liegen in Serie zwischen dem Eingang 14 und der Schaltungsmasse 7 der Ausgang 9 ist von dem Verbindungspunkt 19 der den Umschalter U 1 aufweisenden Serienschaltung S 2 gebildet. Der Steuereingang des Umschalters U 1 ist wiederum über die Steuerleitung 20 mit dem Ausgang 1 des Komparators K 4 verbunden. Der zwischen den Spannungsteilern S 1 und S 2 eingefügte weitere Spannungsteiler S 3 entspricht in seinem Aufbau dem Spannungsteiler S 2, d. h., er besteht aus den beiden Widerständen R 1 und R 2, von denen der Widerstand R 1 an den Verbindungspunkt 18 des Spannungsteilers S 1 und der Widerstand R 2 an einen Umschalter U 2 angeschlossen ist, der dem Umschalter U 1 entspricht und dessen Steuereingang über die Steuerleitung 21 an den Ausgang 1 des Komparators K 3 angeschlossen ist. Bei Fehlen eines Signals an der Steuerlei­ tung 21 ist der Widerstand R 2 des Spannungsteilers S 3 mit der Schaltungsmasse 7 verbunden, während bei einem Steuersignal an der Steuerleitung 21 dieser Widerstand mit dem Eingang 14 verbunden ist. Der Spannungsteiler S 2 ist an den Verbindungs­ punkt 19 des Spannungsteilers S 3 angeschlossen.

Das Spannungsteilernetzwerk ST 2 liefert somit in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen der Komparatoren K 3 und K 4, d. h., in Abhängigkeit vom Ausgangssignal D des Analog-Digital-Um­ setzers vier in ihrem Wert unterschiedliche Referenzspan­ nungen UR 2.

Das Spannungsteilernetzwerk ST 1 ist analog zu den vorgenann­ ten Widerstandsnetzwerken so ausgebildet, daß hier zwischen dem Spannungsteiler S 1, dessen Widerstände R 2 in Serie zwischen dem Eingang 13 und der Schaltungsmasse 7 liegen, und dem Spannungsteiler S 3 ein weiterer Spannungsteiler S 4 eingefügt ist, so daß das Spannungsteilernetzwerk ST 1 aus den vier Spannungsteilern S 1-S 4 besteht. Der Spannungsteiler S 4 entspricht in seinem Aufbau den Spannungsteilern S 2 und S 3, d. h., er besteht aus den beiden Widerständen R 1 und R 2, wobei der Widerstand R 1 des Spannungsteilers S 4 an den Verbindungs­ punkt 18 des Spannungsteilers S 1 und der Widerstand R 2 an den Umschalter U 3 angeschlossen ist, der den Umschaltern U 1 und U 2 entspricht und dessen Steuereingang über eine Steuerlei­ tung 22 mit dem Ausgang 1 des Komparators K 2 verbunden ist. An den Verbindungspunkt 19 des Spannungsteilers S 4 ist der Widerstand R 1 des Spannungsteilers S 3 angeschlossen, auf den dann wiederum der Spannungsteiler S 2 folgt, dessen Verbin­ dungspunkt 19 den Ausgang 8 bildet. Die Umschalter U 1 und U 2 sind auch bei dieser Ausführungsform über die Steuerleitungen 20 bzw. 21 an die Ausgänge 1 der Komparatoren K 3 bzw. K 4 angeschlossen, so daß das Spannungsteilernetzwerk ST 1 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Komparatoren K 2-K 4, d. h., in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal D insgesamt acht unterschiedliche Referenzsignale UR 1 liefert.

Durch die beschriebene Ausbildung des Spannungsteilernetz­ werks ST 1-ST 4 wird erreicht, daß diese bei fehlenden Signalen an den Ausgängen 1 der Komparatoren K 1-K 4 als Referenzspannung jeweils eine Grundspannung liefern, und zwar das Spannungsteilernetzwerk ST 1 die Spannung A 1, das Span­ nungsteilernetzwerk ST 2 die Spannung A 2, das Spannungsteiler­ netzwerk ST 3 die Spannung A 3 und das Spannungsteilernetzwerk ST 4 die Spannung A 4, wobei folgende Beziehungen gelten:

A 2 = 2 × A 1, A 3 = 4 × A 1 und A 4 = 8 × A 1, wobei bei der dargestellten Ausführungsform A 1 1 Volt ist.

Durch die Ausbildung der Spannungsteilernetzwerke ST 1-ST 3 und deren Verkettung durch die von den Ausgängen 1 der Komparatoren K 2-K 4 angesteuerten Umschalter U 1, U 2 und U 3 wird im Ergebnis erreicht, daß die Eingangsspannung Uin mit den an den Komparatoren K 1-K 4 tatsächlich anliegenden Referenzspannungen UR 1-UR 4 verglichen wird, und zwar beginnend mit der Referenzspannung UR 4 für das Bit B 4 (MSB), und daß immer dann, wenn die Eingangsspannung Uin gleich oder größer ist als die an dem Komparator eines bestimmten Bits anliegende Referenzspannung, die Referenzspannungen sämtli­ cher in der Wertigkeit kleineren Bits um die Grundreferenz­ spannung dieses bestimmten Bits erhöht werden, wobei dann in dem den nächstkleineren Bit zugeordneten Komparator die so erhöhte Referenzspannung mit der Eingangsspannung Uin verglichen wird usw.

Ist beispielsweise die Eingangsspannung Uin gleich oder größer als A 4, so werden die Referenzspannungen UR 1-UR 3 sämtlicher Komparatoren K 1-K 3 um den Betrag A 4 erhöht. Ist die Eingangsspannung Uin weiterhin größer als die um A 4 erhöhte Spannung A 3, so werden die Referenzspannungen UR 1 und UR 2 auch um den Betrag A 3 erhöht. Ist die Eingangsspannung Uin schließlich weiterhin gleich oder größer als die in der vorgenannten Weise erhöhte Referenzspannung UR 2, so wird die Referenzspannung UR 1 schließlich auch noch um den Betrag A 2 erhöht. In Abhängigkeit von der Größe des Eingangssignales Uin können die unterschiedlichsten Zustände auftreten, wie sie in der Tabelle nach Fig. 2 wiedergegeben sind.

In Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannung Uin und dem sich hieraus ergebenden jeweiligen Zustand der Kompara­ toren K 2-K 4 kann die Referenzspannung UR 1 insgesamt acht Spannungswerte aufweisen, nämlich 1 Volt, 3 Volt, 5 Volt, 7 Volt, 9 Volt, 11 Volt, 13 Volt und 15 Volt. In ähnlicher Weise kann in Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uin und aus dem sich hieraus ergebenden Zustand der Komparatoren K 3 und K 4 die Referenzspannung UR 2 vier Werte aufweisen, nämlich 2 Volt, 6 Volt, 10 Volt und 14 Volt. In Abhängigkeit der Eingangsspannung Uin ergeben sich für die Referenzspannung UR 3 zwei Werte, nämlich 4 Volt und 12 Volt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Ausführungsformen des erfindungs­ gemäßen Analog-Digital-Umsetzers, die wiederum die Komparato­ ren K 1-K 4 aufweisen, welche mit ihren Ausgängen 1 einen 4-Bit-Signalausgang bilden, der in Abhängigkeit von der analogen Eingangsspannung Uin das binäre bzw. binär-kodierte digitale Ausgangssignal D liefert. Weiterhin liegt auch bei den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungen an dem Eingang 2 jedes Komparators K 1-K 4 die Eingangsspannung Uin an, d. h., die Eingänge 2 aller Komparatoren sind mit dem Anschluß 4 verbunden. An den Eingängen 3 der Komparatoren K 1 -K 4 liegen die Referenzspannungen UR 1-UR 3 an, die die für die Ausführungsform nach Fig. 1 beschrieben wurden, so daß sich bei den Ausführungen nach den Fig. 3 und 4 für unterschiedliche Eingangsspannungen Uin die in der Fig. 2 angegebenen Signale bzw. Spannungen ergeben. Die Ausführungen nach den Fig. 3 und 4 unterscheiden sich von der Ausführung nach Fig. 1 lediglich durch die Mittel zur Erzeugung der Referenzspannung UR 1-UR 4.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist zur Erzeugung der Referenzspannungen UR 1-UR 4 jedem Komparator K 1-K 4 ein digital-einstellbarer Frequenzteiler FT 1-FT 4 und ein Frequenz-Spannungswandler W 1-W 4 zugeordnet, und zwar der Frequenzteiler FT 1 und der Wandler W 1 dem Komparator K 1, der Frequenzteiler FT 2 und der Wandler W 2 dem Komparator K 2, der Frequenzteiler FT 3 und der Wandler W 3 dem Komparator K 3 und der Frequenzteiler FT 4 un der Wandler W 4 dem Kompara­ tor K 4. Jeder der gleichartig ausgebildeten Wandler W 1-W 4 erzeugt an seinem mit dem Eingang 3 des zugehörigen Kompara­ tors K 1-K 4 verbundenen Ausgang als Referenzspannung UR 1 -UR 4 eine Gleichspannung, die proportional zu der von der Spannungsquelle 17 gelieferten Bezugsspannung sowie propor­ tional zur Eingangsfrequenz ist. Hierfür weist jeder Wandler W 4 zwei Eingänge 23 und 24 auf, von denen die Eingänge 23 sämtlicher Wandler mit der Spannungsquelle 17 verbunden sind, während der Eingang 24 jedes Wandlers an den Ausgang des zugehörigen Frequenzteilers FT 1-FT 4 angeschlossen ist.

Die jeweils gleichartig ausgebildeten Frequenzteiler FT 1-FT 4 besitzen einen Eingang 25, der mit dem Ausgang eines quartz­ gesteuerten, eine feste Taktfrequenz liefernden Oszillators 26 verbunden ist. Weiterhin besitzen die Frequenzteiler FT 1- FT 4 Steuereingänge 27-29, mit denen das jeweilige Teiler­ verhältnis digital einstellbar ist. Bei dem Frequenzteiler FT 1 sind alle drei Steuereingänge 27-29, bei dem Frequenz­ teiler FT 2 nur die Steuereingänge 27 und 28 und bei dem Frequenzteiler FT 3 nur der Steuereingang 27 belegt, während bei dem Frequenzteiler FT 4 die vorgenannten Steuereingänge nicht belegt sind. Die belegten Steuereingänge 27-29 sind mit den Ausgängen B 2-B 4 verbunden, und zwar die Steuerein­ gänge 27 jeweils mit B 4, die Steuereingänge 28 jeweils mit B 3 und der Steuereingang 29 mit B 2. Weiterhin sind die Frequenz­ teiler FT 1-FT 4 so eingestellt, daß im Normalzustand, d. h., bei Fehlen eines Signals (z. B. Spannungswert "1") an den Steuereingängen 27-29 das Teilerverhältnis ausgehend von dem einem Bit zugeordneten Frequenzteiler zu dem dem nächst­ höheren Bit zugeordneten Frequenzteiler um den Faktor Zwei abnimmt, d. h., bei der dargestellten Ausführungsform weist der Frequenzteiler FT 4 ein festes Teilerverhältnis ½, der Frequenzteiler FT 3 ein Grund-Teilerverhältnis ¼, der Frequenzteiler FT 2 ein Grund-Teilerverhältnis ⅛ und der Frequenzteiler FT 1 ein Grund-Teilerverhältnis ¹/₁₆ auf, so daß am Ausgang des Frequenzteilers FT 4 ½ F anliegt und die Frequenzteiler FT 3 bei Fehlen eines Signals an den jeweils belegten Steuereingängen bzw. Steuereingang 27-29 an ihren Ausgängen die Grundfrequenz ¼ F, ⅛ F bzw. ¹/₁₆ F liefern. Durch die gleichartig ausgebildeten Wandler W 1-W 4 ergeben sich in diesem Zustand Referenzspannungen UR 1-UR 4 in der Form, daß ausgehend von dem Bit B 1 zu den höherwertigen Bits B 2-B 4 sich diese Referenzspannungen um den Faktor Zwei erhöhen. Durch entsprechende Wahl der Bezugsspannung der Spannungsquelle 17 und Einstellung der Wandler W 1-W 4 liefern diese (bei Fehlen der Steuersignale an den Steuereingängen 27 -29) die bereits erwähnten Grundspannungen A 1-A 4. Liegt nun bei entsprechender Größe der Spannung Uin an einem Ausgang bzw. höheren Bit B 2-B 4 ein Signal an, weil Uin größer ist als die dortige Grundspannung A 2-A 4, so wird mit dem diesen Bit zugeordneten Steuereingang 27-29 der Frequenzteiler FT 1-FT 3 sämtlicher Bits mit niedrigerer Wertigkeit so eingestellt, daß sich am Ausgang dieser Frequenzteiler zu der jeweiligen Grundfrequenz die Grundfre­ quenz des dem höheren Bit zugeordneten Frequenzteilers hinzuaddiert und somit auch an den Ausgängen der zugehörigen Wandler W 1-W 3 Referenzspannungen UR 1-UR 3 anliegen, die gleich der Summe des eigenen Grundspannung und der Grundspan­ nung(en) des bzw. der höherwertigen Bits ist. In Abhängig­ keit von dem Eingangssignal Uin ergeben sich somit bezüglich der Referenzspannungen UR 1-UR 4 die gleichen Verhältnisse, wie sie in der Tabelle der Fig. 2 wiedergegeben sind. Die Ausführungsform nach Fig. 3 hat allerdings gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 den Vorteil, daß die von den Frequenzteilers FT 1-FT 4 und den Frequenzwandler W 1-W 4 gebildeten Mittel zur Erzeugung der Referenzspannungen UR 1- UR 4 sehr genau arbeiten und insbesondere die bei einem Widerstandsnetzwerk unvermeidlichen Toleranzen vermieden werden. Bei der Ausführung nach Fig. 3 kann somit die Anzahl der möglichen Bits wesentlich höher sein als bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der anstelle der Frequenzteiler FT 1-FT 4 von dem Oszillator 26 angesteuerte Impulsbreiten-Generatoren IB 1-IB 4 vorgesehen sind und die die Referenzspannungen UR 1-UR 4 an ihrem Ausgang liefernden Wandler W 1-W 4 keine Frequenz-Spannungswandler, sondern Pulsbreiten-Spannungswandler sind, d. h. Wandler, die in Abhängigkeit von der Impulsbreite des am Eingang 30 anliegen­ den und von dem zugehörigen Generator IB 1-IB 4 gelieferten Impulssignales sowie in Abhängigkeit von der am Eingang 31 anliegenden Bezugsspannung der Spannungsquelle 17 ein Ausgangssignal liefern, welches proportional zu der Impuls­ breite und der von der Spannungsquelle 17 gelieferten Bezugsspannung ist. Die Generatoren IB 1-IB 4 sind so eingestellt, daß sie entsprechend der Fig. 5 jeweils ein Signal mit einer Grund-Impulsdauer liefern, die sich ausge­ hend von dem den Bit B 1 mit der niedrigsten Wertigkeit zugeordneten Generator IB 1 von Bit zu Bit um den Faktor 2 erhöht, d. h., die Generatoren IB 1-IB 4 liefern Signale mit der Grund-Impulsbreite T, 2T, 4T und 8T.

Während die Impulsbreite des Generators IB 4 fest eingestellt ist, kann die Impulsbreite der Generatoren IB 1-IB 3 verän­ dert werden, und zwar durch an den Steuereingängen 32-34 anliegende Signale, wobei die Steuereingänge 32 mit B 4, die Steuereingänge 33 mit B 3 und der Steuereingang 34 mit B 2 verbunden sind. Die Steuerung der Impulsbreite der Generato­ ren IB 1-IB 2 erfolgt so, daß bei dem Anliegen eines Signal (Spannungswert "1") an einem Bit B 2-B 4 höherer Wertigkeit sich zu der Grund-Impulsbreite der Generatoren IB 1-IB 3 jeweils die Grund-Impulsbreite des Bits mit höherer Wertig­ keit hinzuaddiert. Auch bei dieser Ausführungsform ergeben sich somit wiederum Referenzspannungen UR 1-UR 4, die von den Grundspannungen A 1-A 4 gebildet sind, wobei sich bei Anliegen eines Signals (Spannungswert "1") an einem Bit B 2 -B 4 zu der Grundspannung jedes Bits mit einer niedrigeren Wertigkeit die Grundspannung des bzw. der Bits mit der höheren Wertigkeit hinzuaddiert, welches den Spannungswert "1" aufweist. In Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uin ergeben sich somit auch bei dieser Ausführung wiederum die in der Tabelle der Fig. 2 angegebenen Verhältnisse, wobei die Ausführung nach Fig. 4 die gleichen Vorteile wie die Ausfüh­ rung nach Fig. 3 aufweist, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß der Analog-Digital-Umsetzer nach Fig. 4 bei relativ niedriger Taktfrequenz des Oszillators 26 relativ schnell arbeitet.

Die Umsetzung der Impulsbreite in die jeweilige Referenz­ spannung UR 1-UR 4 in den Wandlern W 1-W 4 kann entweder unter Verwendung einer aus der Bezugsspannung UB (Spannungs­ quelle 17) erzeugten Rampenspannung UR erzeugt werden, die mit der vorderen Flanke des jeweiligen Impulses eingeschaltet und mit der hinteren Flanke des jeweiligen Impulses gestoppt wird, oder aber es sind auch andere Techniken (z. B. Integra­ tion der Impulse) möglich.

Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß Abwandlungen sowie Änderungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es selbstverständlich möglich, den Analog-Digital-Umsetzer analog zu der vorbeschriebenen Art so auszubilden, daß dessen Ausgang weniger oder aber bevorzugt mehr als vier Bit besitzt.

Claims (15)

1. Analog-Digital-Umsetzer mit einem Signaleingang für ein analoges Eingangssignal, mit einem n Bits aufweisenden Signalausgang für ein digitales Ausgangssignal sowie mit mehreren, mit dem Eingangssignal sowie mit Referenzspan­ nungen beaufschlagten Komparatoren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bildung eines Umsetzers mit digitaler Rückkopplung die Anzahl (n) der Komparatoren (K 1-K 4) gleich der Anzahl der Bits (B 1-B 4) des Signalausgangs (D) und jedes Bit von dem Ausgang (1) eines Komparators gebildet ist, daß jedem Komparator (K 1-K 4) bzw. Bit eine Referenzspannungsquelle (ST 1-ST 4) zugeordnet ist, die eine Grundreferenzspannung (A 1-A 4) liefert, wobei sich ausgehend von dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit (LSB) die Grundreferenzspannungen (A 1-A 4) jeweils von Bit zu Bit um den Faktor Zwei erhöhen, und daß Mittel (U 1-U 3) vorgesehen sind, die dann, wenn die Eingangsspannung (Uin) an einem Komparator gleich oder größer ist als die dort anliegende Referenzspannung (UR 1 -UR 4), die Referenzspannungen sämtlicher nachfolgender Bits mit niedrigerer Wertigkeit um die diesem einen Komparator zugeordnete Grundreferenzspannung erhöhen.

2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erwähnten Mittel (U 1-U 3) jeweils durch die Ausgangssignale der Komparatoren (K 2-K 4) angesteuert sind.

3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Mittel (U 1-U 3) von jeweils wenigstens einem elektrisch ansteuerbaren Schaltelement oder Schalter, beispielsweise Transistor gebildet sind.

4. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes elektrische Schaltelement (U 1-U 3) jeder ein solches Schaltelement aufweisenden Referenz­ spannungsquelle (ST 1-ST 3) durch den Ausgang (1) eines Komparators (K 2-K 4) der jeweils höherwertigen Bits (B 2 -B 4) angesteuert ist.

5. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz-Spannungsquellen aus Widerständen aufgebaute Spannungsteilernetzwerke (ST 1 -ST 4) sind, die zur Erzeugung der Referenzspannungen über ihre Eingänge (13-16) und einen gemeinsamen Schal­ tungspunkt (7) jeweils an eine, vorzugsweise für sämt­ liche Spannungsteilernetzwerke gemeinsame Spannungsquelle (17) angeschlossen sind, und daß mit Ausnahme des dem Bit (B 4) mit der höchsten Wertigkeit (MSB) zugeordneten Spannungsteilernetzwerks (ST 4) die den übrigen Bits (B 1- B 3) zugeordneten Spannungsteilernetzwerks (ST 1-ST 3) jeweils durch die Schaltelemente (U 1-U 3) umschaltbare Zweige (S 1-S 4) aufweisen, und daß die Anzahl der elektrischen Schaltelemente (U 1-U 3) ausgehend von dem Bit (B 3) mit der zweithöchsten Wertigkeit (MSB) zu dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit (LSB) jeweils um Eins zunimmt.

6. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spannungsteilernetzwerke jeweils aus einem festen Spannungsteiler (S 1) bestehen, der den Eingang des betreffenden Spannungsteilernetzwerkes bildet, und daß die umschaltbaren Zweige (S 2-S 4) dem festen Spannungsteiler (S 1) nachgeschaltete Spannungs­ teiler sind.

7. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die nachgeschalteten Spannungsteiler (S 2 -S 4) jeweils aus wenigstens zwei Widerständen (R 1, R 2) bestehen, von denen ein erster Widerstand (R 1) jeweils an den Ausgang des vorausgehenden Spannungsteilers (S 1, S 3, S 4) angeschlossen ist und dessen zweiter Widerstand (R 2) durch das als Umschalter ausgebildete Schaltelement (U 1- U 3) wahlweise mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt (7) oder mit dem Eingang (13-16) des betreffenden Span­ nungsteilernetzwerkes (ST 1-ST 4) verbindbar ist.

8. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das jeweilige Schaltelement (U 1-U 3) den zweiten Widerstand (R 2) bei Fehlen eines Signals an den dieses Schaltelement (U 1-U 3) ansteuernden Ausgang (1) des Komparators (K 2-K 4) eines höherwertigen Bits (B 2 -B 4) mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt (7) und bei Anliegen eines solchen Signals mit dem Eingang (13-16) des jeweiligen Spannungsteilernetzwerkes (ST 1-ST 3) ver­ bindet.

9. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Widerstand (R 2) der umschalt­ baren Spannungsteiler (S 2-S 4) einen Widerstandswert aufweist, der doppelt so groß ist als der Widerstandswert des ersten Widerstandes (R 1) dieser umschaltbaren Spannungsteiler, und daß zumindest bei den die umschalt­ baren Spannungsteiler (S 2-S 4) aufweisenden Spannungs­ teilernetzwerken (ST 1-ST 3) der erste, feste Spannungs­ teiler (S 1) aus zwei gleichgroßen Widerständen (R 2) besteht, deren Widerstandswert gleich dem Widerstandswert der zweiten Widerstände (R 2) der umschaltbaren Spannungs­ teiler (S 2-S 4) ist.

10. Analog-Digital-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenzeichnet, daß die jedem Komparator zugeord­ nere Referenzspannungsquelle jeweils von einem Frequenz­ teiler (FT 1-FT 4) sowie von einem diesem nachgeschalte­ ten Frequenz-Spannungswandler (W 1-W 4) gebildet ist, welch letzterer an seinem Ausgang die jeweilige Referenz­ spannung (UR 1-UR 4) proportional zu der Frequenz an seinen Eingang liefert, daß die Frequenzteiler (FT 1-FT 4) jeweils von einem Signal mit vorgegebener Taktfrequenz angesteuert werden und an ihrem Ausgang ein Signal mit einer Grundfrequenz liefern, wobei sich ausgehend von dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit diese Grundfre­ quenz jeweils von Bit zu Bit um den Faktor Zwei erhöht, daß der dem Bit (B 4) mit der höchsten Wertigkeit zugeord­ nete Frequenzteiler FT 4 ein fest eingestelltes Teilerver­ hältnis aufweist und das Teilerverhältnis der den Bits (B 1-B 3) mit niedrigerer Wertigkeit zugeordneten Frequenzteiler (FT 1-FT 3) durch das Ausgangssignal (D) des Umsetzers digital derart einstellbar ist, daß dann, wenn die Eingangsspannung (Uin) an einem Komparator gleich oder größer ist als die dort anliegende Referenz­ spannung (UR 1-UR 4) die Grundfrequenzen sämtlicher, den Bits niedrigerer Wertigkeit zugeordneten Frequenzteiler (FT 1-FT 3) um die Grundfrequenz des diesem einen Komparator zugeordneten Frequenzteilers erhöht werden.

11. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Frequenzteiler (FT 1-FT 4) von einem gemeinsamen, die Taktfrequenz liefernden Generator (26) angesteuert werden.

12. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteiler (FT 1-FT 4) ein Grund-Teiler-Verhältnis (Eingangsfrequenz/Ausgangsfre­ quenz) aufweisen, und daß dieses Grund-Teiler-Verhältnis sich ausgehend von dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit jeweils von Bit zu Bit um den Faktor Zwei ändert.

13. Analog-Digital-Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquellen jeweils von einem Pulsbreiten-Generator (IB 1-IB 4) und einem diesem nachgeschalteten Impulsbreiten-Spannungs­ wandler (W 1-W 4) gebildet sind, der an seinem Ausgang die jeweilige Referenzspannung (UR 1-UR 4) liefert, und zwar proportional zur Impulsbreite des an seinem Eingang anliegenden und von dem Pulsbreiten-Generator (IB 1-IB 4) gelieferten Impulssignals, daß die Pulsbreiten-Generato­ ren an ihren Ausgängen ein Signal mit einer Grundimpuls­ breite liefern, die ausgehend von dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit von Bit zu Bit sich um den Faktor Zwei vergrößert, und daß der dem Bit (B 4) mit der höchsten Wertigkeit zugeordnete Pulsbreiten-Generator fest eingestellt ist und die den Bits niedrigerer Wertigkeit zugeordneten Pulsbreiten-Generatoren (IB 1 -IB 3) durch das Ausgangssignal (D) des Umsetzers derart steuerbar sind, daß dann, wenn die Eingangsspannung (Uin) an einem Komparator gleich oder größer ist als die dort anliegende Referenzspannung (UR 1-UR 4) die Impulsbreiten sämtlicher nachfolgender Bits mit niedrigerer Wertigkeit um die diesem einen Komparator zugeordnete Pulsbreite erhöht werden.

14. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Pulsbreiten-Generatoren (IB 1-IB 4) durch das Signal eines gemeinsamen Oszilla­ tors (26) angesteuert werden.

15. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsbreiten-Spannungswandler (W 1 -W 4) jeweils eine Schaltung beinhalten bzw. von einer Schaltung gebildet sind, die die Referenzspannung (UR 1 -UR 4) aus einer Rampenspannung (UR) unter Berücksichti­ gung der Impulsbreite des am Eingang anliegenden Signals erzeugt.