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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Vermeidung einer fehlerhaften Echo-
Eliminierung und/oder Entzerrung, die von Nicht-Linearitäten
in einem D/A-Wandler und/oder einem A/D-Wandler in einem
Telekommunikationssystem herrühren, wobei ein Fehlersignal zu
dem Zweck erzeugt wird, ein Filter für eine adaptive Echo-
Eliminierung und/oder ein Filter für eine adaptive Entzerrung
zu aktualisieren.
STAND DEK TECHNIK
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Digitale Transversalfilter, die als "angezapfte
Verzögerungsleitung" aufgebaut sind, werden zur Bildung von
Linearkombinationen einer vorgegebenen Anzahl ankomtnender
Digitalwerte verwendet. Derartige Filter können nur eine
aktive, wirksame Echo-Eliminierung und/oder Entzerrung in
Telekommunikationssystemen durchführen, wenn die Signalwege,
in denen die Filter angeordnet sind, keine nicht-linearen
Geräte enthalten. Ein Echo-Eliminierungsfilter ist
normalerweise zwischen einen Sendezweig und einen
Empfangszweig geschaltet, die mit einem Zweidraht-Vierdraht-
Verbinder verbunden sind. Ein Entzerrungsfilter ist
normalerweise in den Empfänger 2 geschaltet. Der Sendezweig
weist einen D/A-Wandler auf, wogegen der Empfängerzweig einen
A/D-Wandler enthält. Es hat sich herausgestellt, daß die D/A-
und A/D-Wandler die Hauptquellen für Nicht-Linearitäten im
Zusammenhang mit der Echo-Eliminierung und der Entzerrung
darstellen.
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Bei einem bekannten Verfahren, vergleiche beispielsweise EP-
A1-0 240 055, werden Nicht-Linearitäten mit Hilfe eines
getrennten Korrekturgeräts kompensiert welches stromabwärts
eines A/D-Wandlers in einem Empfängerzweig angeschlossen ist.
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Dieses Gerät erzeugt Korrekturwerte, die den Ausgangswerten
des Computers zugefügt werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung von Problemen, die
durch nicht-lineare Wandler hervorgerufen werden, ist die
Verwendung sogenannter Tabellenfilter anstelle von
Transversalfiltern. Tabellenfilter sind zum Eliminieren von
Echo und zur Erzielung einer Entzerrung wirksam, trotz des
Auftretens von Nicht-Linearitäten.
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Allerdings erfordern diese Verfahren das Vorhandensein
relativ komplizierter und/oder voluminöser Geräte.
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Ein A/D-Wandler, der mit sukzessiven Approximationen
arbeitet, weist normalerweise einen D/A-Wandler auf, der
mehrere binär gewichtete Geräte enthält, beispielsweise
Kondensatoren oder Stromquellen. In Wandlern dieser Art
treten Nicht-Linearitäten auf, da die binär gewichteten
Geräte in der Praxis nicht mit ausreichender Genauigkeit
binär gewichtet werden. Ein Verfahren zur Verbesserung der
Linearität besteht in einer exakten Einstellung der Werte der
gewichteten Geräte bei der Herstellung dieser Geräte,
beispielsweise durch Wegschneiden von Teilen der
Kondensatoren mit Hilfe eines Lasers. Allerdings ist dieses
Verfahren teuer. Darüberhinaus ändern sich die Bauteilwerte
im Verlauf der Zeit, abhängig von der Temperatur usw., und
daher läßt sich auf diese Weise keine dauernde Linearität
erzielen.
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Ein A/D-Wandler, der mit sukzessiven Approximationen
arbeitet, kann selbstkalibrierend ausgeführt sein, was
bedeutet, daß die Werte der binär gewichteten Geräte in
regelmäßigen Zeitabständen überwacht und korrigiert werden,
beispielsweise nach jedem Umwandlungszyklus. Eine Korrektur
beispielsweise der Kapazitätswerte wird dadurch durchgeführt,
daß kleine, parallel geschaltete Kondensatoren aktiviert oder
deaktiviert werden, um jeweils die Kapazität zu erhöhen
beziehungsweise zu verringern. Dies erfordert ebenfalls die
Bereitstellung zugehöriger Logikgeräte zur Ausführung
erforderlicher Kalibrierzyklen und zur Erzeugung von
Korrektursignalen. Gleichzeitig ist die Wandlungskapazität
verringert, infolge der Ausführung der Kalibrierzyklen. Eine
Selbstkalibrierung ist beispielsweise aus dem Artikel
"Selfcalibration and oversampling make room for more digital
circuitry on monolithic ADCs" bekannt, EDN, 15. Oktober 1987.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Verfahrens, welches eine fehlerhafte Echo-Eliminierung
und/oder Entzerrung vermeidet, die von Nicht-Linearitäten
entsprechend der voranstehenden Ausführungen herrühren, wobei
das Verfahren einfach ist und so arbeitet, daß es keine
komplizierten oder voluminösen Geräte benötigt, und nicht die
Kapazität der Wandler verringert. Dies Ziel wird dadurch
erreicht, daß das Fehlersignal, welches zum Zwecke der
Adaptierung der adaptiven Filter verwendet wird, auch zur
Einstellung der Werte vorbestimmter Geräte verwendet wird,
also vorgegebener Bauteile, in den Wandlern, um so Nicht-
Linearitäten in diesen Wandlern zu vermeiden. In der Praxis
werden Signale zum Zwecke der Einstellung der Wandler in
getrennten Logikgeräten entsprechend geeigneter Algorithmen
erzeugt.
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Die Erfindung ist durch die in den nachstehenden
Patentansprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nachstehend mit mehr Einzelheiten unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in
welchen Figur 1 Teile eines Sendezweiges und eines
Empfängerzweiges in einer Zweidraht-Vierdraht-Verbindung in
einem Telekommunikationssystem erläutert; Figur 2 ein
Beispiel eines Teils eines A/D-Wandlers darstellt, der in dem
in Figur 1 dargestellten Empfängerzweig vorgesehen ist; Figur
3 ein Blockschaltbild ist, welches einen Teil eines D/A-
Wandlers darstellt, der bei dem in Figur 1 dargestellten
sendezweig vorgesehen ist; und Figur 4 eine Ausführungsform
des in Figur 3 dargestellten Blockschaltbildes mit mehr
Einzelheiten darstellt.
DIE BESTE ART ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNG
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Figur 1 stellt einen Teil eines Telekommunikationssystems
dar. Die Bezugsziffer 11 bezeichnet einen Sendezweig, auf
welchem digitale Datensignale ankommen. Diese Signale werden
an einen D/A-Wandler 12 angelegt, und von diesem in analoger
Form an eine Zweidraht-Vierdraht-Verbindung 13. Letztere ist
unter anderem auch an einen Empfängerzweig 14 angeschlossen,
in welchem ein A/D-Wandler 15 vorgesehen ist. In der Praxis
enthält der Sendezweig auch ein Transmissionsfilter, und der
Empfängerzweig enthält auch ein Empfangsfilter und eine
automatische Pegelsteuerungsvorrichtung, die nicht in der
Figur gezeigt sind. Die Bezugsziffer 16 bezeichnet ein Filter
für die adaptive Echo-Eliminierung, wobei der Eingang des
Filters an den Sendezweig 11 angeschlossen ist, und der
Ausgang des Filters mit einem Subtraktionsgerät 17 in dem
Empfängerzweig 14 verbunden ist. Das in dem Subtraktionsgerät
17 gebildete Differenzsignal wird an ein adaptives
Entzerrerfilter 18 angelegt, dessen Ausgang an einen Detektor
19 angeschlossen ist, der so ausgebildet ist, daß er
empfangene Signale erfaßt. Ein Fehlersignal en zum
Aktualisieren der Filter 16 und 18 wird auf bekannte Weise in
einem Subtraktionsgerät 20 erzeugt. Allerdings sind andere
Verfahren zur Erzeugung von Fehlersignalen zum Zwecke des
Aktualisierens von Echo- und Entzerrerfiltern bekannt.
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Der bislang beschriebene Teil des Systems bildet einen Teil
des bekannten Verfahrens. Gemäß der Erfindung wird allerdings
das Fehlersignal en auch dazu verwendet, den D/A-Wandler 12
und den A/D-Wandler 15 einzustellen. Zu diesem Zweck sind
zwei Logikgeräte 21 und 22 vorgesehen, welche
Wandlersteuersignale entsprechend geeigneter Algorithmen
bilden, wie dies mit mehr Einzelheiten nachstehend
beschrieben ist.
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Adaptive Entzerrerfilter können auch an anderen Orten als
einer Zweidraht-Vierdraht-Verbindung vorgesehen sein. Daher
ist der Einsatz der Erfindung nicht auf derartige
Verbindungen beschränkt.
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Figur 2 erläutert ein Beispiel für einen D/A-Wandler, der in
dem A/D-Wandler 15 der Ausführungsform von Figur 1 enthalten
ist. Entsprechend diesem Beispiel soll der A/D-Wandler auf
der Grundlage sukzessiver Approximationen arbeiten, und weist
eine D/A-Wandler auf, der mehrere gegenseitig binär
gewichtete Kondensatoren CO-CI enthält. Wenn die
Kapazitätswerte der Kondensatoren auf dieselbe Weise wie die
Kondensatoren bezeichnet werden, ist idealerweise die
Kapazität Ci eines Kondensators mit einem Index i gleich
CO/2i. Allerdings sind die Kapazitäten der Kondensatoren
C&sub1;-CI variabel, was es ermöglicht, diese Kapazitäten zu
korrigieren, wenn die Kondensatoren CO-CI nicht exakt binär
gewichtet sind. Die Kondensatoren sind an eine Bezugsspannung
VR oder an Masse angeschlossen, jeweils über einen
steuerbaren Schalter, und zwar auf bekannte Weise. An die
Schalter werden Steuersignale angelegt, die mit dO-dI
bezeichnet sind. Jedes dieser Steuersignale ist entweder eine
"Eins" oder eine "Null".
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Statt die variablen Kapazitäten während getrennter
Kalibrierzyklen und unter Verwendung getrennter
Kalibriervorrichtungen zu korrigieren, wie bei
selbstkalibrierenden Wandlern gemäß der voranstehenden
Ausführungen, wird das Fehlersignal en, welches zum Zweck der
Aktualisierung der Echo-und Entzerrerfilter verwendet wird,
gemäß der vorliegenden Erfindung auch zum Einstellen der
variablen Kapazitätswerte verwendet. Wenn das Fehlersignal en
auf die in Figur 1 dargestellte Weise erzeugt wird, können
die Kapazitätswerte an einem Sampling-Zeitpunkt n
beispielsweise entsprechend dem nachstehenden Algorithmus
eingestellt werden:
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Ci,n+1 = Ci,n + sign (en) sign (ADn) di,n dC,
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hierbei ist Ci,n die Kapazität des Kondensators Ci am
Sampling-Zeitpunkt n;
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ADn ist das Startsignal am Sampling-Zeitpunkt n von dem A/D-
Wandler, in welchem der D/A-Wandler von Figur 2 enthalten
ist;
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di,n ist der Steuerwert, also eine "Eins" oder eine "Null",
welcher den Schalter an den Kondensator Ci zum Sampling-
Zeitpunkt n steuert; und
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dC ist der Inkrementalwert, um welchen die Kapazität geändert
werden kann.
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Abhängig davon, ob di,n eine "Eins" oder eine "Null" ist, ist
der neue Wert Ci,n+1 entweder gleich Ci,n ± dC oder bleibt
ungeändert und ist gleich Ci,n, entsprechend dem Algorithmus.
In diesem Fall wird angenommen, daß der Steuerwert di,n Null
ist, wenn der Kondensator Ci mit Masse verbunden ist, also
wenn dieser Kondensator nicht zum Ausgangswert des Wandlers
beiträgt. Daher werden nur die Kapazitätswerte der
Kondensatoren eingestellt, die zu diesem Zeitpunkt aktiv
sind.
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Der Algorithmus gemäß der voranstehenden Ausführungen läßt
sich durch die Tatsache erklären, daß ein Fehlersignal en,
welches einen positiven Erwartungswert aufweist, in zwei
unterschiedlichen Fällen erzeugt werden kann:
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1) Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers 15 ist positiv und
größer als in dem Fall, in welchem der Wandler linear gewesen
wäre. Dies tritt auf, wenn die Kapazitätswerte extrem klein
sind. Das durch die Einstellung erzielte mittlere Ergebnis
ist eine Erhöhung des Kapazitätswertes des Kondensators Ci,
da sowohl der Erwartungswert des Fehlersignals als auch das
Ausgangssignal des A/D-Wandlers positiv sind.
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2) Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers ist negativ und
weist einen Absolutwert auf, der kleiner ist als in dem Fall,
In welchem der Wandler linear gewesen wäre. Dies tritt auf,
wenn die Kapazitätswerte extrem groß sind, und das durch die
Einstellung erhaltene mittlere Ergebnis ist eine Verringerung
des Kapazitätswertes des Kondensators Ci, da der
Erwartungswert des Fehlersignals positiv und das
Ausgangssignal des A/D-Wandlers negativ ist.
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Ein Fehlersignal en, welches negative Erwartungswerte
aufweist, wird in den nachstehenden zwei Fällen erzeugt:
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1) Das Ausgangssignal des A/D-Wandlers ist positiv und
kleiner, als es gewesen wäre, wenn der Wandler linear ware.
Dies tritt auf, wenn die Kapazitätswerte extrem groß sind.
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2) Das Ausgangssignal A/D-Wandlers ist negativ und weist
einen Abso1utwert auf, der größer ist als in dem Fall, in
welchem der Wandler linear wäre. Dies tritt auf, wenn die
Kapazitätswerte extrem klein sind.
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Der Kondensator CO wird als Bezugsgröße verwendet und ist
daher nicht einstellbar, da zwar die Kondensatoren CO-CI
andernfalls so gesteuert werden können, daß sie exakt binär
gewichtet sind, jedoch sämtlich extrem hohe oder extrem
niedrige Kapazitätswerte aufweisen, welche dazu führen, daß
der Wandler fehlerhafte Ausgangswerte abgibt.
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Die einstellbaren Kondensatoren können beispielsweise jeweils
aus einer geeigneten Ahzahl kleiner Kondensatoren bestehen,
von denen jeder wie voranstehend erläutert die Kapazität dC
aufweist. Die einstellbaren Kondensatoren können auch
beispielsweise aus einem jeweiligen großen Kondensator
zusammen mit einer geeigneten Anzahl kleiner Kondensatoren
bestehen, die zur Einstellung der Kapazität dienen sollen.
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Der in den A/D-Wandler 15 vorgesehene D/A-Wandler muß nicht
aus binär gewichteten Kondensatoren bestehen. Auf bekannte
Weise können diese Kondensatoren durch binär gewichtete
Stromquellen ersetzt werden, welche mit Hilfe von Schaltern
Beiträge zu einem Summenstrom liefern oder nicht.
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Um eine Einstellung der Werte der einstellbaren Geräte zu
ermöglichen ist es erforderlich, getrennte Einstellsignale zu
kompilieren, beispielsweise entsprechend dem erläuterten
Algorithmus. Die Signale können durch einen einfachen
Logikblock kombiniert werden, da die Signale nur anzeigen
müssen, ob der betreffende Wert erhöht, verringert oder
unverändert belassen werden soll.
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Selbstverständlich ist die Verwendung anderer Algorithmen als
des erläuterten Algorithmus denkbar. Es ist beispielsweise
moglich, den Wert des Fehlersignals en statt nur das
Vorzeichen des Fehlersignals zu verwenden. Allerdings ist der
Aufbau des Logikblockes, der zur Erzeugung der Steuersignale
erforderlich ist, etwas komplizierter als in dem Fall, wenn
nur das Vorzeichen des Fehlersignals verwendet wird, da es
dann erforderlich ist, daß das Steuersignal die Größe der
Änderung angeben muß, statt nur Plus, Minus oder Null.
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Figur 3 erläutert ein Beispiel für ein schematisches
Blockschaltbild, welches einen Teil des D/A-Wandlers 12 in
Figur 1 darstellt. Der dargestellte, beispielhaft genannte
Wandler ist so aufgebaut, daß er vier Ausgangspegel sowie
vier Spannungserzeugungsblöcke 31 - 34 und einen Schalter 35
enthält. Der Schalter wird durch ein ankommendes
Digitalsignal gesteuert, welches symbolisch durch einen Pfeil
bezeichnet ist, und arbeitet so, daß er abhängig vom Wert des
Digitalsignals einen der Spannungserzeugungsblöcke mit dem
Wandlerausgang verbindet. Die Blöcke 31 - 34 sollen die
Spannungen 3VO, VO, -VO und -3VO in dieser Reihenfolge
erzeugen. Die von den Blöcken 31, 33 und 34 erzeugten
Spannungen können eingestellt werden, was es ermöglicht, daß
diese Spannungen korrigiert werden können, falls sie von
ihren Idealwerten abweichen, in Bezug auf die Spannung, die
von dem Block 32 erzeugt wird, dessen Ausgangsspannung als
feste Bezugsspannung verwendet wird.
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Die Spannungen von den Zweigen 31, 33 und 34 können
beispielsweise entsprechend dem nachstehend angegebenen
zweistufigen Algorithmus eingestellt werden:
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Vs,n+1/2 = Vs,n - sign (en) dV
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Vi,n+1 = Vi,n - sign(Vs,n+1/2 + Vi,n + VO) dV,
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hierbei bezeichnet s, welcher der Blöcke 31, 33 und 34 die
Ausgangsspannung des Wandlers am Sampling-Zeitpunkt n erzeugt
hat;
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Vs,n ist die Spannung von dem Block s am Sampling-Zeitpunkt
n;
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i bezeichnet einen Block, der aus den Blöcken ausgewählt ist,
die eine einstellbare Spannung ausweisen;
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en ist das Fehlersignal entsprechend der voranstehenden
Ausführungen;
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VO ist die feste Bezugsspannung; und
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dV ist der Inkrementierwert für eine Spannungsänderung.
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Eine übermäßig hohe Ausgangsspannung von dem Wandler führt zu
einem positiven Fehlersignal en, und umgekehrt. Aus dem
Algorithmus wird deutlich, daß beispielsweise der
Spannungswert abnimmt, wenn das Fehlersignal Positiv ist. In
der ersten Stufe, also zwischen dem Sampling-Zeitpunkt n und
n+1/2 wird ein neuer Spannungswert an den Block angelegt,
welcher die Ausgangsspannung des Wandlers am Sampling-
Zeitpunkt n erzeugte. In der zweiten Stufe, also zwischen den
Zeitpunkten n+1/2 und n&spplus;¹ werden neue Spannungswerte für alle
Blöcke mit einer einstellbaren Spannung festgelegt, also auch
für den Block, der die Ausgangsspannung des Wandlers am
Sampling-Zeitpunkt n erzeugte, und dem ein neuer Wert zum
Zeitpunkt n+1/2 zugeordnet wird. Der Ausdruck in Klammern in
der zweiten Stufe des Algorithmus stellt die Summe der
Spannungswerte von allen Werten dar. Diese Summe ist
idealerweise gleich Null. Hierbei wird darauf hingewiesen,
daß in den Fällen, in welchen nur die erste Stufe des
Algorithmus verwendet wird, das Fehlersignal zu einem
sogenannten lokalen Minimum statt zu einem sogenannten
globalen Minimum konvergieren würde.
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Figur 4 stellt eine detailliertere Ausführungsform der in
Figur 3 dargestellten Blöcke dar. Jeder der Blöcke 31 - 34
besteht aus einem von vier Zweigen 31 - 34 in Figur 4, die
sämtlich eine Spannung VO erhalten. Nur ein Pufferverstärker
ist in dem Zweig 32 enthalten, in welchem die Spannung VO
erzeugt wird. Die Spannungen 3VO, -VO und -3VO werden in den
Zweigen 31, 33 und 34 auf bekannte Weise mit Hilfe
sogenannter geschalteter Kapazitäten erzeugt. Diese Zweige
weisen unter anderem mehrere Schalter auf, die mit Ph&sub1; bis
Ph&sub3; bezeichnet sind. Während jeder Wandlerphase werden mit
Ph&sub1; bezeichnete Schalter während eines ersten Zeitintervalls
geschlossen, werden mit Ph&sub2; bezeichnete Schalter während
eines zweiten Zeitintervalls geschlossen, usw. Jeder der
Zweige 31, 33 und 34 umfaßt unter anderem einen variablen
Kondensator, der durch C&sub4;&sub1; - C&sub4;&sub3; bezeichnet ist, und einen
Integrierer, der einen festen Tntegrierkondensator aufweist,
der mit C&sub4;&sub4; - C&sub4;&sub6; bezeichnet ist. Die Ausgangsspannung von
jedem Zweig ist proportional zu dem Quotienten der
Kapazitäten des variablen Kondensators und des
Integrierkondensators, also C&sub4;&sub1;/C&sub4;&sub4;. Falls angenommen wird,
daß die variablen Kondensatoren C&sub4;&sub1; - C&sub4;&sub3; ebenso groß sind,
so ist dann C&sub4;&sub4; gleich C&sub4;&sub1;/3, C&sub4;&sub5; gleich C&sub4;&sub1;, und C&sub4;&sub6; gleich
C&sub4;&sub1;/3,
bei diesem Beispiel. Die negativen Spannungen von den
Zweigen 33 und 34 treten deswegen auf, da die Schalter bei
den variablen Kondensatoren C&sub4;&sub2; - C&sub4;&sub3; nicht in derselben
Reihenfolge in den Zweigen 33 und 34 wie im Zweig 31
umgeschaltet werden, wie aus der Figur deutlich wird.
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Im Falle des in Figur 4 gezeigten D/A-Wandlers ist die
Inkrementalgröße einer Spannungsänderung dV im Zweig 31
proportional zu dC&sub4;&sub1;/C&sub4;&sub4;, wobei dC&sub4;&sub1; die kleinstmögliche
Änderung der Kapazität des Kondensators C&sub4;&sub1; bezeichnet. Damit
die Inkrementalgröße einer Spannungsänderung dV in sämtlichen
Zweigen den gleichen Wert annimmt, kann der kleinstmöglichen
Kapazitätsänderung in unterschiedlichen Zweigen ein
unterschiedlicher Wert gegeben werden, so daß die
Kapazitätsänderung an den Integrierkondensator in dem
betreffenden Zweig angepaßt ist. Es ist ebenfalls denkbar,
eine Anpassung der Kapazitätsänderung in dem Logikgerät
durchzuführen, welches Steuersignale zum Anlegen an den D/A-
Wandler erzeugt, entsprechend einem geeigneten Algorithmus.
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Selbstverständlich könnten, statt die Kondensatoren C&sub4;&sub1; - C&sub4;&sub3;
variabel auszugestalten, die Integrierkondensatoren C&sub4;&sub4; - C&sub4;&sub6;
alternativ hierzu variabel ausgebildet werden.