DE3734874C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Analog-Digital-Umsetzer bzw. Umsetzer gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1, 6 bzw. 9.

Bekannt sind Analog-Digital-Umsetzer bzw. -Wandler mit einem Signaleingang für ein analoges Eingangssignal sowie mit einem mehrere Bits aufweisenden Signalausgang für ein digitales Ausgangssignal. Jedes Bit dieses Ausgangssignals ist dabei von dem Ausgang eines Komparators gebildet, welcher zwei Eingänge aufweist, von denen einer mit dem analogen Eingangssignal und einer mit einer Referenzspannung beaufschlagt ist. Nur der dem Bit der höchsten Wertigkeit (MSB) entsprechenden Komparator ist dabei mit einer festen, ausschließlich von einer Grundreferenzspannung gebildete Referenzspannung beaufschlagt. Den den übrigen Bits entsprechenden Komparatoren sind Referenzspannungen zugeordnet, die von einer Grundreferenzspannung und ggfs. einer weiteren Spannung in Abhängigkeit des digitalen Ausgangssignales derart gebildet sind, daß dann, wenn das analoge Eingangssignal an einem Komparator gleich oder größer ist als die dort anliegende Referenzspannung, die Referenzspannungen der Komparatoren sämtlicher nachfolgender Bits niedrigerer Wertigkeit um die diesem einen Komparator zugeordnete Grundreferenzspannung erhöht werden. Allen Komparatoren ist eine Grundreferenzspannung zugeordnet, die sich jeweils ausgehend vom Bit mit der niedrigsten Wertigkeit (LSB) von Bit zu Bit um den Faktor 2 erhöht.

Analog-Digital-Umsetzer dieser Art, bei denen das digitale Ausgangssignal die Größe der an den Komparatoren tatsächlich anliegenden Referenzspannungen steuert und die insofern eine digitale Rückkopplung des Ausgangssignals auf die Elemente zur Erzeugung der Referenzspannungen vorsehen, haben den grundsätzlichen Vorteil, daß die Anzahl der benötigten Komparatoren gleich der Anzahl der Bits des digitalen Signalausganges ist, d. h. beispielsweise bei einem 4-Bit-Signalausgang nur insgesamt vier Komparatoren benötigt werden.

Bei einem bekannten Analog-Digital-Umsetzer mit derartiger digitaler Rückkopplung (DE-OS 33 08 608) ist jedem Komparator eine Grundreferenzspannungsquelle zugeordnet. Mit Ausnahme des dem Bit der höchsten Wertigkeit zugeordneten Komparators weist jeder Komparator auch eine analoge Addierschaltung auf. Diese ist dann einerseits mit der dem jeweiligen Komparator zugeordneten Grundreferenzspannungsquelle und andererseits über elektrisch betätigbare Schalter auch mit den Grundreferenzspannungsquellen sämtlicher, jeweils höherwertigerer Bits verbunden. Immer dann, wenn das analoge Eingangssignal an einem Komparator die dortige Referenzspannung übersteigt, wird die diesem Komparator zugeordnete Grundreferenzspannung zu den Referenzspannungen sämtlicher Bits niedrigerer Wertigkeit hinzuaddiert. Durch die notwendigen analogen Addierschaltungen mit einer Vielzahl von Eingängen ist dieser bekannte Analog-Digital-Umsetzer relativ aufwendig. Nachteilig ist auch, daß das Ausgangssignal der analogen Addierschaltungen stark von der Betriebsspannung abhängig ist, d. h. die Betriebsspannung die Genauigkeit des von dem Analog-Digital-Umsetzer gelieferten Signals beeinflußt.

Bekannt ist weiterhin ein Analog-Digital-Umsetzer (DE-OS 21 19 649), bei dem die digitale Rückkopplung, d. h. die Steuerung der Referenzspannungen an den Komparatoren durch das digitale Ausgangssignal unter Verwendung von Digital-Analog-Umsetzern erfolgt, von denen jeweils einer mit seinem Ausgang mit einem Referenzspannungseingang eines Komparators verbunden ist, wobei lediglich wieder der Referenzspannungseingang des dem Bit mit der höchsten Wertigkeit zugeordneten Komparators mit einer festen Referenzspannung beaufschlagt ist. Die Eingänge jedes Digital-Analog-Umsetzers eines Komparators sind mit den Ausgängen der den jeweils höherwertigeren Bits zugeordneten Komparatoren verbunden. Dieser bekannte Analog-Digital-Umsetzer bedingt durch die zusätzlichen Digital-Analog-Umsetzer einen erhöhten schaltungstechnischen Aufwand.

Bekannt ist weiterhin ein Analog-Digital-Umsetzer (US-PS 39 68 486 bzw. DE-OS 36 19 013), bei dem die Steuerung der Referenzspannungen durch das digitale Ausgangssignal dadurch erfolgt, daß zur Erzeugung der Referenzspannungen, d. h. als Referenzspannungsquellen jeweils aus Widerständen aufgebaute Spannungsnetzwerke vorgesehen sind. Diese Spannungsteilernetzwerke sind jeweils an eine Spannungsquelle angeschlossen, um die dem jeweiligen Komparator zugeordnete Grundreferenzspannung zu bilden. Gleichzeitig ist jedes einem Komparator zugeordnete Spannungsteilernetzwerk mit dem Ausgang jedes Komparators eines höherwertigeren Bits verbunden, um hierdurch die von dem digitalen Ausgangssignal abhängige Steuerung der Referenzspannungen zu erreichen. Da somit bei diesem bekannten Analog-Digital-Umsetzer zur Steuerung der Referenzspannungen die Referenzeingänge der Komparatoren über die Widerstandsnetzwerke direkt mit den das digitale Ausgangssignal bildenden Spannungen beaufschlagt werden, ist es, um Meßfehler zu vermeiden, notwendig, auch die Komparatoren mit einer sehr konstanten Spannung zu betreiben, was einen zusätzlichen schaltungstechnischen Aufwand bedeutet. Besonders nachteilig ist aber bei diesem bekannten Analog-Digital-Umsetzer, daß sich die Werte der die Spannungsteilernetzwerke bildenden Widerstände von Bit zu Bit erhöhen, was nicht nur eine Vielzahl unterschiedlicher Widerstände bedingt und damit den Erfordernissen einer rationellen Fertigung widerspricht, sondern dies führt zwangsläufig auch zu einer Begrenzung der Anzahl der möglichen Bits insbes. dann, wenn eine kostengünstige Fertigung des Analog-Digital-Umsetzers angestrebt wird.

Bekannt sind weiterhin Digital-Analog-Wandler (DE-AS 23 17 851) und zwar speziell in der Form, daß ein digitales Eingangssignal in einem Komparator mit dem digitalen Ausgangssignal eines ständig weitergeschalteten Vergleichszählers verglichen wird. Der Komparator liefert dabei eine konstante Ausgangsspannung solange, bis der Stand des Vergleichszählers kleiner ist als das digitale Eingangssignal. Hat der Zählerstand des Vergleichszählers den Wert des digitalen Eingangssignals erreicht, wird die am Ausgang des Komparators anliegende Spannung abgeschaltet. Die Spannung des Komparators wird einem Integrator zugeführt, der an seinem Ausgang ein dem digitalen Eingangssignal entsprechendes analoges Ausgangssignal liefert.

Bekannt sind weiterhin ein Frequenz-Spannungs-Wandler (DE-OS 19 34 118) sowie ein Digital-Analog-Umsetzer (DE-OS 25 22 252) unter Verwendung eines Frequenzteilers, der ein Signal mit einer von dem digitalen Eingangssignal des Umsetzers abhängigen Frequenz liefert.

Dieses Signal wird dann einem Frequenz-Spannungs-Umsetzer zugeführt, an dessen Ausgang das analoge Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers anliegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Analog-Digital-Umsetzer aufzuzeigen, der bei vereinfachtem Aufbau eine hohe Genauigkeit und eine hohe Anzahl von Bits ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Analog-Digital-Umsetzer erfindungsgemäß entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 oder entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 6 oder entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 9 ausgebildet.

Soweit bei dem erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzer als Referenzspannungsquellen Spannungsteilernetzwerke mit Zweigen verwendet werden, die durch von den Ausgangssignalen angesteuerte elektrische Schaltelemente umschaltbar sind, hat diese Ausführung u. a. den Vorteil, daß für die Spannungsteilernetzwerke sämtlicher Komparatoren jeweils Widerstände in der gleichen Größenordnung verwendet werden können, wodurch sich ein wesentlich vereinfachter Aufbau der Spannungsteilernetzwerke und vor allem auch die Möglichkeit ergeben, einen Signalausgang mit einer hohen Anzahl von Bits vorzusehen.

Sind bei dem erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzer die Referenzspannungsquellen jeweils von einem Frequenzteiler und diesem nachgeschalteten Frequenz-Spannungswandler gebildet, wobei zur Steuerung der Referenzspannungen durch das digitale Ausgangssignal letzteres dem Frequenzteiler zugeführt wird, so läßt sich eine besonders hohe Genauigkeit erreichen. Gleiches gilt auch für die Ausführung des erfindungsgemäßen Analog-Digital-Umsetzers, bei der die Referenzspannungsquellen jeweils von einem Impulsbreiten-Generator mit einem diesem nachgeschalteten Impulsbreiten-Spannungswandler gebildet sind, der an seinem Ausgang die jeweilige Referenzspannung liefert, und zwar in Abhängigkeit von der Ansteuerung des Impulsbreiten-Generators durch den digitalen Ausgang.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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 dargestellte 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 denen 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 zu 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 11 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 einem 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 verbunden 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 4 an, wie sie 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 und 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 Frequenzteiler FT 1-FT 4 und den Frequenzwandlern 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 Signals (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 (11)

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 Referenzspannungen beaufschlagbaren Komparatoren, wobei zur Bildung eines Umsetzers mit digitaler Rückkopplung die Anzahl 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, wobei 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 die Referenzspannungsquellen jeweils aus Widerständen aufgebaute Spannungsteilernetzwerke sind, die über ihre Ausgänge (13-16) und einen gemeinsamen Schaltungspunkt (7) jeweils an eine Spannungsquelle (17) angeschlossen sind und von denen jedes Spannungsteilernetzwerk eine Grundreferenzspannung (A 1-A 4) liefert, die sich jeweils ausgehend von dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit (LSB) von Bit zu Bit um den Faktor Zwei erhöht, und wobei jede Referenzspannungsquelle (ST 1-ST 4) Mittel aufweist (U 1-U 3), 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 erhöht, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erhöhung der Grundreferenzspannung dadurch gebildet sind, 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 Spannungsteilernetzwerke (ST 1-ST 3) jeweils Zweige (S 1-S 4) aufweisen, die durch von den Ausgangssignalen der Komparatoren (K 2-K 4) angesteuerte elektrische Schaltelemente umschaltbar sind, und daß die Anzahl der elektrischen Schaltelemente (U 1-U 3) ausgehend von dem Bit (B 3) mit der zweithöchsten Wertigkeit zu dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit (LSB) jeweils um Eins zunimmt, daß jedes elektrische Schaltelement (U 1-U 3) jeder ein solches Schaltelement aufweisenden Referenzspannungsquelle (ST 1-ST 3) durch den Ausgang (1) eines Komparators (K 2-K 4) der jeweils höherwertigeren Bits (B 2-B 4) angesteuert ist.

2. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 Spannungsteiler sind.

3. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, 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 Spannungsteilernetzwerkes (ST 1-ST 4) verbindbar ist.

4. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 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) verbindet.

5. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R 2) der umschaltbaren 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 umschaltbaren Spannungsteiler (S 2-S 4) aufweisenden Spannungsteilernetzwerken (ST 1-ST 3) der erste, feste Spannungsteiler (S 1) aus zwei gleichgroßen Widerständen (R 2) besteht, deren Widerstandswert gleich dem Widerstandswert der zweiten Widerstände (R 2) der umschaltbaren Spannungsteiler (S 2-S 4) ist.

6. 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 Referenzspannungen beaufschlagten Komparatoren, wobei 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, wobei jedem Komparator (K 1-K 4) bzw. Bit eine Referenzspannungsquelle zugeordnet ist, die eine Grundreferenzspannung (A 1-A 4) liefert, wobei ausgehend von dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit (NSB) die Grundreferenz jedes Bits um den Faktor Zwei größer ist als die Grundreferenzspannung des nächstniedrigeren Bits, und wobei 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 Komparator zugeordneten Grundreferenz erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die jedem Komparator zugeordnete Referenzspannungsquelle jeweils von einem Frequenzteiler (FT 1-FT 4) sowie von einem diesem nachgeschalteten Frequenz-Spannungswandler (W 1-W 4) gebildet ist, welch letzterer an seinem Ausgang die jeweilige Referenzspannung (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 Grundfrequenz jeweils von Bit zu Bit um den Faktor Zwei erhöht, daß der dem Bit (B 4) mit der höchsten Wertigkeit zugeordnete Frequenzteiler FT 4 ein fest eingestelltes Teilerverhältnis 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 Referenzspannung (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.

7. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Frequenzteiler (FT 1-FT 4) von einem gemeinsamen, die Taktfrequenz liefernden Generator (26) angesteuert werden.

8. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzteiler (FT 1-FT 4) ein Grund-Teiler-Verhältnis (Eingangsfrequenz/Ausgangsfrequenz) 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.

9. 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 Referenzspannungen beaufschlagten Komparatoren, wobei 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, wobei jedem Komparator (K 1-K 4) bzw. Bit eine Referenzspannungsquelle zugeordnet ist, die eine Grundreferenzspannung (A 1-A 4) liefert, wobei ausgehend von dem Bit (B 1) mit der niedrigsten Wertigkeit (NSB) die Grundreferenz jedes Bits um den Faktor Zwei größer ist als die Grundreferenzspannung des nächstniedrigeren Bits, und wobei 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 Komparator zugeordneten Grundreferenz erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzspannungsquelle jeweils von einem Pulsbreiten-Generator (IB 1-IB 4) und einem nachgeschalteten Impulsbreiten-Spannungswandler (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-Generatoren an ihren Ausgängen ein Signal mit einer Grundfrequenz 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.

10. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Pulsbreiten-Generatoren (IB 1-IB 4) durch das Signal eines gemeinsamen Oszillators (26) angesteuert werden.

11. Analog-Digital-Umsetzer nach Anspruch 9 oder 10, 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 Berücksichtigung der Impulsbreite des am Eingang anliegenden Signals erzeugt.