NL7908654A - Analoog/digitaal-omvormer met trapsgewijze benadering van het om te vormen analoge signaal door een digitaalsignaal. - Google Patents

Description

' v ; . ' ·£-, IT.O’. 28287 . 1

Analoog/digitaal-omvormer met trapsgewijze benadering van bet om te vormen analoge signaal door een digitaalsignaal.

be -uitvinding beeft betrekking op een analoog/digitaal omvormer met trapsgewijze benadering van een om te vormen analoog signaal door een digitaal signaal, waarbij aan de ene ingang van een comparator bet analoge signaal en aan 5 de andere ingang van de comparator bet uitgangssignaal van een digitaal/analoog-omvormer wordt toegevoerd, welke digitaal/ analoog-omvormer aan zijn ingang bet digitale signaal krijgt toegevoerd.

Dergelijke analoog/digitaal-omvormers zijn bekend uit 10 bet boek van Lange ''Digital-Analog-bzw. Analog-Digital-Wandlung" Oldenbourg verlag, München, Wien, 197^» blz. 25 tot 45. Het kan daarbij gaan om analoog/digitaal-omvormers met continu trapsgewijze benadering, waarbij de digitale waarde door verder tellen van een voorwaartsteller wordt 15 veranderd. Het kan evenzo gaan om een succesievelijke benadering waarbij de verschillende digitale plaatsen van een geheugen na elkaar door een stuurlogica worden afgevraagd.

Het geheugen kan zowel zuiver binair als ook in BCD-code werken.

20 Bij al deze werkwijze is de nauwkeurigheid van de gege nereerde digitale waarde bepaald door bet laagstwaardige bit (LSB) van de eenheid die de digitale waarde vormt, dus bijvoorbeeld de teller of bet geheugen.

De uitvinding beeft nu ten doel bij een digitaal/analoog-25 omvormer van in de aanbef genoemde soort bet oplossend vermogen ten opzichte van de bekende digitaal/analoog-omvor-mers zonder allteveel extra materiaal aanzienlijk op te voeren.

kan deze doelstelling wordt volgens de uitvinding vol-30 daan, doordat bij bet analoge signaal of bij bet uitgangssignaal van de digitaal/analoog-omvormer een zaagtandfunctie wordt opgeteld, waarvan de maximale waarde bij benadering gelijk is aan de grootte van bet laagstwaardige bit van de digitaal/ analoog-omvormer en waarvan de tijdsduur bij benade-35 ring overeenkomt^ met een veelvoud van de tijdsduur voor de trapsgewijze benadering, en dat gedurende de tijdsduur van de zaagtandfunctie de rekenkundige gemoddelde- waarde van een 7908654 . > . ' . - 2 «f aantal telkens na een’ trapsgewijze benadering optredende digitale signalen wordt gevormd.

Door de optelling van een zaagtandfunctie met de maximale waarde van ongeveer bet minst significante bit van de 5 digitaal/analoog-omvormer bijvoorbeeld bij bet analoge signaal en door bet vormen van bet rekenkundig gemiddelde over een aantal omvormingen gedurende bet optreden van de zaagtand-functie wordt bet oplossend vermogen vergroot. Hoe meer omvormingen bij de gemiddelde waarde zijn betrokken des te 10 groter wordt de toename van bet oplossend vermogen. Graat men bijvoorbeeld uit van een 8 bit digitaal/analoog-omvormer met een 12 bit lineairiteit en bepaalt men bet oplossend

Alvermogen over 2 = 16 omvormingen, dan resulteert dit in een oplossend vermogen dat overeenstemt met dat van een 12 Dit 15 omvormer. Een voordeel van de digitaal/analoog-omvorming volgens de uitvinding bestaat dus in toepassing van een eenvoudiger (met geringer oplossend vermogen) en daarmee goedkoper digitaal/analoog-omvormer. Bovendien is, als men even uitgaat van bet bovengenoemde voorbeeld, slechts een 20 8 bit buskoppeling noodzakelijk. Dit aantal van 8 bits is bij veel koppelschakelingen gestandaardiseerd. Verder behoeft bet benaderingsprogramma slechts voor deze 8 bit ontworpen te «zijn. Bovendien is slechts een 12 bit optelling van de omvormerresultaten noodzakelijk.

25 Komt de maximale waarde van de zaagtandfunctie niet e^act overeen met bet minst significante bit LSB·, of is de tijdduur ervan niet precies gelijk aan een veelvoud van een omvormingsperiode, dan wordt daardoor de bereikte toename van bet oplossend vermogen iets geringer, maar aan bet 50 principe wordt daardoor niets veranderd.

Als zaagtandfunctie kan een continu stijgende 'functie worden gebruikt zoals bijvoorbeeld wordt geleverd door een conventionele zaagtandgenerator. volgens een verdere uitvoe ring 'van de uitvinding kan voor de zaagtandfunctie ook een 35 trapfuncfie worden gebruikt met onderling even grote trappen waarbij de tijdsduur van elke trap· gelijk is aan de tijdsduur van de trapsgewijze benadering* Moet bijvoorbeeld bet gemiddelde bepaald worden over 2m omvormingen, dan ontstaat de grootste verbetering van bet oplossend vermogen bij een 40 trapfunctie met 2m trappen elk met een groette van 1/2m LSB.

7908854 3 • Voor elke omvorming in het kader van de 2m omvormingen verandert de signaalwaarde aan de ingang van de comparator waaraan de zaagtandfunctie wordt toegevoerd over het 2m-de deel van het laagstwaardige bit van de digitaal/analoog-5 omvormer. Voor een bepaald aantal omvormingen ontstaat om te beginnen een digitale waarde die ook zonder de zaagtandfunctie zou worden verkregen, ueze digitale waarde komt over een met een analoge waarde die in het algemeen afwijkt van de waarde van het om te vormen analoge signaal. 10 Als de som van deze afwijking en de zaagtandfunctie overeenstemt met de waarde van het minstssignificante bit LSB dan verandert bij deze en de volgende benaderingen de vastgestelde digitale waarde, ueze wordt met een ISB verhoogd. De verhouding tussen het aantal omvormingen, waaruit de ver-15 hoogde digitale waarde resulteert en het totaal aantal bij de vorming van de gemiddelde waarde betrokken omvormingen kunnen nu de e^.tra digitale posities van lagere waardigheid worden bepaald.

De zaagtandfunctie kan ook evenals het om te vormen 20 analoge signaal van buitenaf worden toegevoerd. In eèn voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt dusdanig tewerk gegaan dat de digitaal/analoog-omvormer voor het - begin van elke approximatie kortstondig zodanig wordt be stuurd dat zijn door een geheugenelement (Demonster- en 25 houdschakeling) bepaald uitgangssignaal, eventueel na span-‘ ningsdeling, overeenstemt met de telkens benodigde trap-waarde van de trapfunctie. Een externe functiegever kan daardoor achterwege blijven.

Om de analoog/digitaal-omvorming volgens de uitvinding 30 zo ongevoelig mogelijk voor storende wisselspanningen te maken verdient het de voorkeur om de tijdsduur, waarin de rekenkundige gemiddelde waarde wordt gevormd, af te stemmen op de periodeduur van een eventueel bij het analoge signaal opgetelde storende wisselspanning. Men bereikt daardoor een 35 quasi integrerende analoog/digitaal-omvorming, zoals voor bekende analoog/digitaal-omvormers reeds is beschreven in het boek "Prozessrechner" van Anke, Kaltenecker, Oetker, Oldenbourg verlag, München, Yiien, 1970 blz. 114 en'115·

Yoor een analoog/digitaal-omvormer met een digitale 4-0 waardevormer, een comparator en een digitaal/analoog-omvor- 7908654 4 » • ^ . ’ mer voor liet uitvoeren van de analoog/digitaal-omvorming volgens de uitvinding verdient het aanbeveling, dat de digitale waardevormer en de digitaal/analoog-omvormer uitgevoerd zijn voor n bits, waarbij de omvormer een lineairi-5 teit bezit van n + m bits en dat een optelelement voor n + m bits aanwezig is, waaraan de signalen van de digitale waardevormer na elk van de 2m trapsgewijze approxima-ties worden toegevoerd. Als digitale waardevormer kunnen enerzijds door middel van een klokpulsgenerator gestuurde 10 voorwaartse tellers worden toegepast of ook een door middel van een stuurlogica bestuurt digitaal geheugen, Men bijzondere voorkeursuitvoeringsvorming ontstaat wanneer de digitale waardevormer en de optexier deel uitmaken van een microprocessor. .

15 . In de tot nu toe bekende uitvoeringen was bij analoog/ digitaak-omvorming steeds alleen sprake van een enkel om te vormen analoog signaal, be analoog/digitaal-omvorming volgens de uitvinding of een volgens deze werkwijze werkende analoog/digitaal-omvormer kan echter met voordeel ook wor-20 den toegepast voor k analoge signalen. Daarbij kunnen bijvoorbeeld een microprocessor en een digitaal/analoog-omvormer alsmede k ingangspoorten en k comparatoren aanwezig zijn. In plaats van de k ingangspoorten kan een ingangspoort en een digitale multiplexer worden toegepast, ie k compa-25 ratoren kunnen door een enkele comparator en een analoge multiplexer worden vervangen.

In principe kan voor de analoog/digitaal-omvorming volgens de uitvinding elke digitaal/analoog-omvormer worden gebruikt. Kiest men bijvoorbeeld een digitaal/analoog-omvor-J>0 mer met weerstanden van een bepaalde waarde, zoals bekend is uit het boek van Lange "Digital-Analog bzw. Analog-Digital-Wandlung" Oldenbourg Verlag München Wien 1974-, blz. 23, figuur 5, dan kan de zaagtandfunctie eenvoudig op de -niet inverterende ingang van de sommatieversterker worden 35 geschakeld en daarmee opgeteld worden bij het analoge uitgangssignaal van deze digitaal/analoog-omvormer.

In het volgende wordt aan de hand van de figuren 1 tot . en met 5 de uitvinding nader verklaard. t l'iguur 1 toont de afhandeling in de tijd van de analoog/ 40 digitaal-omvorming volgens de uitvinding.

o 7908654 * #

V

: 5 . ·

In figuur 2 zijn in overeenstemming daarmee de resultaten van acht omvormingen gedurende het optreden van een zaagtandfunctie weergegeven.

De figuren 3 ^ ^ tonen twee verschillende uitvoerings 5 vormen van een analoog/digitaal-omvormer voor telkens een om te vormen analoog signaal- figuur 5 toont een analoog/digitaal-omvormer voor een aantal analoge signalen.

In figuur 1 is de afhandeling in de tijd van een traps-10 gewijze approjtimatie weergegeven. x’erwille van de overzichtelijkheid is bij wijze van voorbeeld gekozen voor een 4 bit oplossend vermogen, dat wil zeggen er wordt vanuit gegaan dat een digitaal/analoog-omvormer met eveneens slechts vier digitale posities wordt gebruikt. In het bovenste gedeelte 15 van figuur 1 is ten opzichte van de tijd t de uitgangsspan-ning van een dergelijke digitaal/analoog-omvormer uitge zet. Tegelijkertijd is een om te vormen analoog signaal IL als rechte lijn ten opzichte van de tijdas uitgezet. In het onderste gedeelte van figuur 1 is eveneens ten opzichte van 20 de tijd het uitgangssignaal van een comparator getoond, dat resulteert uit het uitgangssignaal van de digitaal/analoog-omvormer en het om te vormen analoge signaal. Daarbij is verondersteld, dat het uitgangssignaal van de comparator de waarde 1 bezit zolang het uitgangssignaal van de digi-25 taal/analoog-omvormer kleiner is dan het om te vormen analo ge signaal.

De trapsgewijze appro.s.imatie begint op het tijdstip t^.

Ha elkaar worden de afzonderlijke digitale posities van de digitaal/analoog-omvormer afgevraagd. Op het tijdstip t£ is 30 de approximatie beëindigd. Voor dit speciale voorbeeld ontstaat het binaire getal 1010, overeenstemmend met de deci-· male waarde 10.

In figuur 2 zijn weer ten opzichte van Gfe tijd, nu echter met een andere tijdschaal, de resultaten van 8 omvormingen 35 weergegeven die optreden met gelijke onderlinge intervallen T/8. Daarbij is bij het om te vormen analoge signaal een monotoon toenemende zaagtandfunctie met een periodeduur T en een maximale waarde ter grote van het minst significante bit LSB van de digitaal/analoog-omvormer opgeteld. De in-40 tervallen 1/8 komen daarbij overeen met de tijdsduur t^-t^j 7908654 6

A

*'· van een volledige trapsgewijze approximatie respectievelijk omvorming zoals geïllustreerd is in figuur 1.

Zoals verder blijkt uit figuur 2 ontstaan bij de acht weergegeven omvormingen in bet binaire stelsel drie maal 5 de waarden 1010 en vijf maal de waarden 1011. In bet decimale stelsel ontstaat dus drie maal de waarde 10 en vijf maal de waarde 11. De rekenkundige gemiddelde waarde van deze acbt omvormingen is in bet decimale stelsel 10, 625 en in bet binaire stelsel 1010, 101. Daarbij is eveneens 10 verondersteld dat de afzonderlijke omvormingen uitgevoerd zijn met een digitaal/analoog-omvormer met vier digitale posities. Zoals blijkt uit deze resultaten wordt in vergelijking met de omvorming zoals geïllustreerd in figuur 1 een toename van bet oplossend vermogen met drie binaire 15 posities bereikt.

Figuur 3 toont een analoog/digitaal-omvormer volgens de uitvinding voorzien van een digitale waardevormer 1, opgebouwd uit een klokpulsgenerator 2, een stuurlogicascha-keling 3 en een digitaal geheugen 4. Voor elke trapsgewijze 20 approximatie stelt de stuurlogieascbakelipg bet digitale geheugen 4- op nul. Vervolgens wordt allereerst de boogst-waardige positie van bet geheugen, dus dQ op 1 gesteld. De andere digitale posities blijven op 0 staan. Dit digitale signaal wordt toegevoerd aan een digitaal/analoog-omvormer 25 5, waaraan naast een referentiespanning Uref een spanning UBt overeenstemmend met de zaagtandfunctie wordt toegevoerd. Het analoge uitgangssignaal van de digitaal/analoog-omvormer 5 wordt toegevaerd aan de ene ingang van een comparator 6, terwijl aan de andere ingang bet analoge signaal Ue wordt 30 toegevoerd. Is bet analoge signaal U_ groter dan de analo- * - - v ge uitgangsspanning van de digitaal/analoog-omvormer 5» dan blijft de hoogstwaardige digitale positie dn van bet digi-' tale geheugen gelijk aan 1; in bet andere geval wordt dQ gelijk aan 0. Aansluitend wordt de' eerstvolgende digitale 35 positie ingesteld en weer wordt de vergelijking, met bet analoge signaal U_ uitgevoerd. Dit wordt net zolang voortgezet totdat de digitale positie d,j van bet digitale geheugen 4 bereikt is. De eerste omvorming is daarmee beëindigd. Via de stuurlogica wordt de op deze wijze vastgestelde digitale 40 waarde toegevoerd aan een optelorgaan 7· Aansluitend begint 7908654 - - Ss 7 een nieuwe omvorming.

ü-et digitale geheugen en de digitaal/analoog-omvormer 3 zijn heiden uitgevoerd voor n hits. Moet nu een gemiddelde waarde worden gevormd over 2m omvormingen, dan moet het 5 optelorgaan 7 uitgevoerd zijn voor n + m hits. Aan het einde van ,2®" omvormingen ontstaat dan in het optelorgaan 7 een waarde, die door eenvoudige verplaatsing van de komma voor de laatste m digitale posities overeenstemt met de i?eken-kunsige gemiddelde waarde. Deze waarde wordt via een indica 10 tie-eenheid 8 zichtbaar gemaakt of uitgevoerd.

In dit voorbeeld is de tijdsduur van de zaagtandfunctie gelijk aan het 2nL-voudige van de afzonderlijke omvormingen.

De maximale waarde van de zaagtandfunctie komt daarbij overeen met de grootte van het laagstwaardige bit van de digi-15 taal/analoog-omvormer 3.

In het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 4- zijn de digitale waardevormer, het optelorgaan en de indicatie-eenheid delen van een microprocessor 101 Bovendien zijn zoals in het uitvoeringsvoorbeeld volgens figuur 3 een digitaal/analoog-20 omvormer 3 en een comparator 6 aanwezig. De- aan de digitaal/ analoog-omvormer 3 toegevoerde zaagtandfunctie bestaat in dit uitvoeringsvoorbeeld uit een trapfunctie waarvan de afzonderlijke trappen voor elke omvorming met behulp van de microprocessor 10 en de digitaal/analoog-omvormer 3 zelf 25 worden gegenereerd. Daartoe wordt voor elke omvorming onder besturing van de microprocessor de schakelaar S1 gesloten. Tegelijkertijd wordt aan de digitaal/analoog-omvormer een digitaal ingangssignaal toegevoerd, waarvan de overeenstemmende analoge waarde een maat vormt voor de betreffende trap 30 van de trapfunctie. Dit analoge signaal wordt voor de daarop volgende omvorming opgeborgen, In het eenvoudigste geval is daarvoor een condensator C1 voldoende, er kan echter ook een bemonster/houd-orgaan worden toegepast. De condensator-spanning is in dit uitvoeringsvoorbeeld aangesloten op een 35 spanningsdeler met de weerstanden R1 en R2. Tan deze span-hingsdeler wordt de eigenlijke zaagtandspanning U ^ af genomen.

Figuur 5 toont een analoog/digitaal-omvormer soortgelijk aan die van figuur 4-, maar uitgevoerd voor k analoge signalen tot en met ïïgjj.· Als men er bij dit uitvoerings- 4-0 voorbeeld vanuit gaat dat de digitaal/analoog-omvormer 5 7908654 #5¾.

8-- t- een 8 bit omvormer is, en men een oplossend vermogen van ongeveer 12 bit wil bereiken dan beeft men· bet grote voordeel dat men verder voldoende beeft aan een 8 bit buskoppe-ling tussen de microprocessor 10 en de digitaal/analoog-5 omvormer 5. Deze 8 bit buskoppeling komt overeen met de gebruikelijke waarde bij de uitgangen Van microprocessoren. Ook bet in de microprocessor 10 uitgevoerde approA.imatiepro-gramma behoeft slechts voor 8 bit bestemd te zijn. Daarmee ontstaat met bet gewenste oplossend vermogen afgezien van de 10 gedeeltelijk eenvoudiger en daarmee goedkopere schakelings-elementen ook nog bet voordeel van een snellere analoog/ digitaal-omvorming. Bij een voor bet hogere oplossend vermogen bestemde digitaal/analoog-omvormer zouden de afzonderlijke digitale posities via de 8 bit buskoppeling van de '15 uitgangspoort in twee opeenvolgende stappen moeten worden bestuurd. Ook bet approxumatieprogramma zou in dat geval bestemd moeten zijn voor bet grotere aantal digitale posities.

7908654

Claims (6)

1. Analoog/digitaal-omvorming met trapsgewijze approxi-matie van een om te vormen analoog signaal door een digitaal signaal, waarbij aan de ene ingang van een comparator 5 bet analoge signaal en aan de andere ingang van de comparator bet uitgangssignaal van een digitaal/analoog-omvor-mer wordt toegevoerd, waarbij aan de ingang van de digitaal/ analoog-omvormer bet digitale signaal wordt toegevoerd, met bet kenmerk, dat bij bet analoge signaal of 10 bij bet uitgangssignaal van de digi taal/analoog-omvormer (5) een zaagtandfunctie wordt opgeteld waarvan de maximale waarde bij benadering gelijk is aan de grootte van bet laagst waardige bit van de digitaal/analoog-omvormer (5) en waarvan de tijdsduur by benadering overeenstemt met een veelvoud van 15 de tijdsduur benodigd voor de trapsgewijze approximatie, en dat tijdens de tijdsduur van de zaagtandfunctie de rekenkundige gemiddelde waarde van een aantal telkens na een trapsgewijze approximatie optredende digitale signalen wordt gevormd.

2. Analoog/digitaal-omvorming volgens conclusie 1, met bet kenmerk, dat de zaagtandfunctie een trap-functie is met onderling even grote trappen en dat de tijdsduur van elke trap gelijk is aan de tijdsduur van de trapsgewijze approximatie.

3. Analoog/digitaal-omvorming volgens conclusie 2, met bet kenmerk, dat de digitaal/analoog-omvormer (5) voor bet begin van elke approximatie kortstondig zodanig wordt bestuurd, dat zijn aan gebeugenorgaan (0^) (bemonster en boudscbakeling) geleverd uitgangssignaal 30 eventueel na spanningsdeling overeenstemt met de telkens benodigde trapwaarde van de trapfunctie. 4-. Analoog/digitaal-omvorming volgens een der voorgaande conclusies, met bet kenmerk, dat de tijdsduur, nodig voor de bepaling van bet rekenkundige gemiddel-35 de, af gestemd is op de periodeduur van een bij bet analoge signaal opgetelde storende wisselspanning.

4 *» * OOITCLnSIE-S.

5· Analoog/'digitaal-omvormer met een digitale waarde-vormer, een comparator en een digitaal/analoog-omvormer voor bet uitvoeren van de analoog/digitaal-omvorming volgens 40 een der voorgaande conclusies, met bet kenmerk, 7908654 jfi- ' dat de digitale waardevormer (1) en de digitaal/analoog-omvormer'(5) bestemd zijn voor n bits, waarbij de omvormer (5) een lineairiteit van n + ia bits bezit en dat een optel-orgaan (7) voor n + m bits aanwezig is waaraan de signalen 5 van de digitale waardevormer (1) na elk van de 2m stapsgewijze approAimaties worden toegevoerd.

6. analoog/digitaal-omvormer volgens conclusie· 5, met het kenmerk, dat de digitale waardevormer (1) en het optelorgaan (7) delen vormen van een micropro-10 cessor (10). ************** 7008654 -