DE4409063C1 - Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung, in der aus einem analogen elektrischen Eingangssignal mittels eines Analog-Digital- Wandlers mit vorgeordneter Abtast-Halte-Schaltung ein di­ gitales Ausgangssignal erzeugt wird.

Bei einer bekannten Schaltungsanordnung dieser Art (Prospekt PDS-1139A der Firma Burr-Brown Corporation ′′ADC750) ist eingangsseitig eine Verstärkerschaltung mit gestufter Verstärkung mit dem zu wandelnden analogen elektrischen Eingangssignal beaufschlagt, um auch relativ große Eingangssignale verarbeiten zu können, deren Größe bzw. Größenbereich vorher nicht bekannt ist. Zu diesem Zwecke ist der Ausgang der Verstärkerschaltung einerseits mit einer aus einem einzigen Abtast-Halte-Glied bestehen­ den Abtast-Halte-Schaltungsanordnung und andererseits mit jeweils einem Eingang einer Verstärkungsauswahlschaltung verbunden. Dem einzigen Abtast-Halte-Glied ist ein aus einem einzigen Analog-Digital-Wandler bestehende Analog- Digital-Wandleranordnung nachgeschaltet. An den Ausgängen des Analog-Digital-Wandlers und der Verstärkerauswahl­ schaltung insgesamt ergibt sich das digitale Ausgangssi­ gnal, wobei das Ausgangssignal der Verstärkungsauswahl­ schaltung den Exponenten bezeichnet.

Bei der bekannten Schaltungsanordnung wird bei anliegen­ dem Eingangssignal mittels der Verstärkungsauswahlschal­ tung jeweils der Verstärker über denjenigen Schalter auf das Abtast-Halte-Glied geschaltet, der im Hinblick auf die jeweilige Größe des Eingangssignals die beste Aus­ steuerung bietet. Das Abtast-Halte-Glied hält nach Ablauf seiner Einschwingzeit den angelegten Wert fest, so daß sich während der Wandlung eine Änderung nicht störend bemerkbar machen kann. Allerdings ergeben sich mit der bekannten Schaltungsanordnung bei sehr schnellen Ände­ rungen des analogen Eingangssignals Schwierigkeiten, da sowohl das Betätigen des jeweils ausgewählten Schalters als auch das Einschwingen des Abtast-Halte-Gliedes eine gewisse Zeit benötigt; wird das Eingangssignal während dieser Zeit wesentlich größer als der ausgewählte Meßbe­ reich, dann tritt eine Übersteuerung auf, und der vom Analog-Digital-Wandler abgegebene Digitalwert ist ver­ fälscht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung vor zu­ schlagen, die auch bei sehr schnellen Änderungen des ana­ logen Eingangssignals übersteuerungsfrei ein dem analogen elektrischen Eingangssignal genau entsprechendes digita­ les Ausgangssignal liefert.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß eine Schal­ tungseinheit mit einem eine Signal-Kompression bewirkenden Übertragungsverhalten auf, die eingangseitig mit dem analogen Eingangssignal beaufschlagt ist; an die Schaltungseinheit ist ausgangsseitig über die Abtast- Halte-Schaltung der Analog-Digital-Wandler angeschlossen ist, dem eine digitale Korrektureinrichtung nachgeordnet ist, die an ihrem Ausgang ein dem analogen Eingangssignal proportionales digitales Ausgangssignal abgibt.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung besteht darin, daß sie auch bei einem sich in einem großen Bereich bewegendem Eingangssignal über­ steuerungsfrei ein entsprechendes digitales Ausgangssi­ gnal liefert; dies ist auf die Verwendung der Schaltungs­ einheit zurückzuführen, durch die eine Signal-Kompression erreicht wird. Dabei sind an die Schaltungseinheit keine Genauigkeitsanforderungen zu stellen, weil diesbezügliche Ungenauigkeiten durch die digitale Korrektureinrichtung bei entsprechender Auslegung ohne weiteres kompensierbar sind. Die Schaltungseinheit mit signal-komprimierendem Verhalten muß lediglich stabil sein. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit einem einzigen Analog-Digital- Wandler mit einer einzigen vorgeordneten Abtast-Halte- Schaltung auskommt; auch Schalteinrichtungen zur Bereichsumschaltung benötigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung nicht. Allerdings muß bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ein Analog-Digital- Wandler mit einer höheren Genauigkeit eingesetzt werden, als für den erfaßten Bereich gewünscht wird.

Es ist zwar eine Schaltungsanordnung zur Analog-Digital- Wandlung bekannt (DE 32 10 650 A1), die einen Eingangskreis mit nichtlinearem Übertragungsverhalten aufweist, jedoch liefert dieser Eingangskreis ein digitales Zwischensignal, das mehrdeutig ist und daher nicht ohne weiteres zur Weiterverarbeitung geeignet ist. Erst durch eine Weiterverarbeitung dieses Zwischensignals mittels einer Kleinsignal-Divisionsstufe, einer Feinstufenprüfeinrichtung, Quotienten- und Summandenspeichern sowie einer Summierstufe ergibt sich bei der bekannten Anordnung ein-eindeutiges Ausgangssignal, das in einer logarithmischen und nicht einer proportionalem Abhängigkeit von dem Eingangssignal steht.

Ferner ist aus der US-PS 37 89 392 eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der aus einem analogen elektrischen Eingangssignal ein komprimiertes Digitalsignal erzeugt wird; bei der bekannten Schaltungsanordnung wird das analoge elektrische Eingangssignal einem linearen Kodierer zugeführt, in dem das analoge Eingangssignal in ein entsprechendes digitales Signal umgesetzt wird. Dieses digitale Signal wird in weiteren elektronischen Bausteinen verarbeitet, um ein komprimiertes Digitalsignal zu gewinnen, mit dem sich die Übertragungsgeschwindigkeit erheblich erhöhen läßt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist die Schal­ tungseinheit mit nichtlinearem Übertragungsverhalten eingangsseitig mehrere Verstärker mit gestuft abnehmender Verstärkung auf, denen jeweils ein Begrenzer nachgeordnet ist; an die Begrenzer ist über jeweils ein Bewertungs­ glied ein Summierer angeschlossen ist, und dem Summierer ist die Abtast-Halte-Schaltung nachgeordnet ist. Hierbei kann die Stabilität der einzelnen Begrenzer unabhängig von der Verstärkung gewählt werden.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung in ihrem prinzipiellen Aufbau und in

Fig. 2 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel wiederge­ geben.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegt an einem Eingang E ein analoges elektrisches Eingangssignal U, das in einem eingangsseitig angeordneten Antialiasing-Filter FA bandbegrenzt wird. An das Antialiasing-Filter FA ist eine Schaltungseinheit S mit nichtlinearem Übertragungs­ verhalten angeschlossen. Die Kennlinie der Schaltungsein­ heit S weist - wie in Fig. 1 angedeutet - um den Null­ punkt einen linearen Bereich auf, an den sich beidseitig abflachende Kennlinien-Abschnitte anschließen. Es kann sich um eine logarithmische Kennlinie handeln.

Der Schaltungseinheit S ist über eine in üblicher Weise aufgebaute Abtast-Halte-Schaltung AH ein Analog-Digital- Wandler W nachgeordnet, der ebenfalls in üblicher Weise ausgeführt sein kann. Das Digitalsignal am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers ist nicht dem analogen Eingangs­ signal E proportional, weil durch die Schaltungseinheit S eine Verzerrung verursacht worden ist. Diese wird mittels einer dem Analog-Digital-Wandler W nachgeordneten Korrek­ tureinrichtung K rückgängig gemacht, indem diese infolge entsprechender Auslegung das Digitalsignal des Analog-Di­ gital-Wandlers W so verändert, daß das digitale Ausgangs­ signal D am Ausgang der Korrektureinrichtung K genau dem analogen Eingangssignal entspricht. Durch die Korrektur­ einrichtung K, die vorzugsweise als Korrekturspeicher ausgeführt ist, können beliebige Ungenauigkeiten der nichtlinearen Kennlinie der Schaltungseinheit S ausgegli­ chen werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2, in der mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 übereinstimmende Bauein­ heiten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, ent­ hält die dem Antialiasing-Filter FA nachgeordnete Schal­ tungseinheit S′ mit nichtlinearem Übertragungsverhalten eingangsseitig mehrere Verstärker V1 bis Vn mit abnehmend gestufter Verstärkung. Die Anzahl der Verstärker und ihre Verstärkung sind so gewählt, daß einerseits der gesamte mögliche Bereich des analogen Eingangssignals U abgedeckt wird und andererseits den Verstärkern V1 bis Vn nachge­ ordnete Begrenzer BG1 bis BGn bei in ihrer Größe überein­ stimmenden Ausgangssignalen der Verstärker V1 bis Vn ihre Begrenzungsfunktion erfüllen. Es ist auch möglich, die einzelnen Begrenzungen unabhängig von der Verstärkung zu wählen.

Ausgangsseitig sind an die Begrenzer BG1 bis BGn Bewer­ tungsglieder BW1 bis BWn angeschlossen, in denen im Hin­ blick auf das Verhalten der ihnen jeweils vorgeordneten Verstärker und Begrenzer eine entsprechende Bewertung, in der Regel eine Verkleinerung des zugeführten Signals erfolgt. Alle Bewertungsglieder BW1 bis BWn sind mit ih­ ren Ausgängen gemeinsam an einen Summierer Su angeschlossen, der ausgangsseitig mit der Abtast-Halte- Schaltung verbunden ist.

Das Ausgangssignal des Summierers Su wird im Analog-Digi­ tal-Wandler W in ein entsprechendes Digitalsignal umge­ setzt, das bei einem 16-Bit-Wandler an 16 Ausgängen des Wandlers W ansteht. Dieses Digitalsignal muß aber wegen des nichtlinearen Verhaltens der Schaltungseinheit S noch korrigiert werden, was in der entsprechend ausgelegten Korrektureinrichtung K geschieht. Das digitale Ausgangs­ signal D der Korrektureinrichtung K kann als Exponent und Mantisse oder als Digitalsignal mit vergrößerter Wort­ breite zur Verfügung gestellt werden.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Analog-Digital-Wandlung, in der aus einem analogen elektrischen Eingangssignal mittels eines Analog-Digital-Wandlers mit vorgeordneter Abtast- Halte-Schaltung ein digitales Ausgangssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Schaltungsanordnung eine Schaltungseinheit (S) mit einem eine Signal-Kompression bewirkenden Übertragungsverhalten aufweist, die eingangseitig mit dem analogen Eingangssignal (U) beaufschlagt ist,
• - an die Schaltungseinheit (S) ausgangsseitig über die Ab­ tast-Halte-Schaltung (AH) der Analog-Digital-Wandler (W) angeschlossen ist, und
• - dem Analog-Digital-Wandler (W) eine digitale Korrekturein­ richtung (K) nachgeordnet ist, die an ihrem Ausgang ein dem analogen Eingangssignal (U) proportionales digitales Aus­ gangsignal (D) abgibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - die Schaltungseinheit (S) eingangsseitig mehrere Verstärker (V1 bis Vn) mit gestuft abnehmender Verstärkung aufweist, denen jeweils ein Begrenzer (BG1 bis BGn) nachgeordnet ist,
• - an die Begrenzer (BD1 bis BGn) über jeweils ein Bewer­ tungsglied (BW1 bis BWn) ein Summierer (SU) angeschlossen ist und
• - dem Summierer (SU) die Abtast-Halte-Schaltung (AH) nachge­ ordnet ist.