NL8003948A

NL8003948A - Digitaal-analoog omzetter.

Info

Publication number: NL8003948A
Application number: NL8003948A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1980-07-09
Filing date: 1980-07-09
Publication date: 1982-02-01
Also published as: FR2486734A1; HK64284A; JPS6412420B2; GB2080059B; ES503717A0; IT1168138B; ES8204894A1; IT8122769A0; DE3124333A1; GB2080059A; DE3124333C2; US4703310A; FR2486734B1; CA1175943A; JPS5748827A

Description

„ - “ ^ I ί ΡΗΝ 9788 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Digitaal-analoog omzetter"

De uitvinding heeft betrekking op een digitaal-analoog omzetter omvattende een strocmhronschakeling voor het genereren van een aantal stromen van in hoofdzaak onderling gelijke stroomsterkten, 5 een permutatieschakeling voor het in een cyclisch pennuterend patroon schakelen van die stromen naar uitgangen van die permutatieschakeling zodat aan die uitgangen een aantal stromen met een onderlinge nauwkeurige gelijkstrocmsterkte verhouding en met een wisselstroom-fout component, die door de ongelijkheid in de door de strocmhronschakeling 10 gegenereerde stromen bepaald wordt, ter beschikking staan, een ingang voor het ontvangen van een digitaal ingangssignaal, een uitgang waarvan een door het digitale ingangssignaal bepaald analoog uitgangssignaal afgencmen kan worden, en een combinatieschakeling voor het als funktie van het digitaal 15 ingangssignaal samenstellen van het analoog uitgangssignaal uit de aan de uitgangen van de permutatieschakeling ter beschikking staande stromen.

In een dergelijke digitaal-analoog omzetter wordt gebruik gemaakt van het uit hét Amerikaans octrooischrift no. 3.982.172 (PHN 7513) en het Amerikaans octrooischrift no. 4.125.803 (PHN 8376 - welke octrooi-20 schriften hierin zijn opgencmen als referentie - bekende dynamische oirwisselprincipe waarbij stromen met een nauwkeurige onderlinge sterkte-verhouding worden gegenereerd door in hoofdzaak gelijke stromen volgens een cyclisch pennuterend patroon naar uitgangen te schakelen waardoor de relatieve afwijking van elk van de stromen waarvan wordt uitgegaan, 25 ten opzichte van een gemiddelde waarde even vaak per cyclus in elk van de uitgangsstromen verschijnt, waardoor elk van de uitgangsstrcmen een ge-lijkstroomccmponent vertoont die een zeer nauwkeurige sterkteverhouding met de gemiddelde waarde van de stromen waarvan wordt uitgegaan, en dus met elk van de gelijkstrocmcomponenten van de andere uitgangsstrcmen, 30 vertoont. De onderlinge afwijkingen tussen de stromen waarvan wordt uitgegaan verschijnen als wisselstrocmccmponent in die uitgangsstromen, welke wisselstroomcomponent, afhankelijk van de cmwisselfrequentie ten 8003946 * * ΪΉΝ 9788 2 opzichte van de hoogste signaalfrequentie en afhankelijk van de onderlinge sterkteverhouding van de stranen waarvan wordt uitgegaan, al dan niet storend kan zijn.

In die gevallen waar deze wisselstroaronponenten storend 5 zijn kunnen deze weggefilterd worden door aan elke uitgang van de per-mtatieschakeling een filtercondensator toe te voegen. Hierdoor kan zonder problemen met behulp van de resterende gelijks tranen digitaal-analoog omzetting met de canbinatieschakeling uitgevoerd worden. Een nadeel van een dergelijke filtering is het gebruik van genoemde conden-10 satoren, bijvoorbeeld 14 stuks voor een 14 bits digitaal-analoog omzetter, welke in de meeste toepassingen, bijvoorbeeld toepassingen in de audio-techniek, extern aan een geïntegreerde schakeling waarin zo'n digitaal-analoog omzetter is opgenomen, moeten worden aangebracht, waarvoor dan een groot aantal extra aansluitpennen benodigd zijn.

IR

De uitvinding beoogt een digitaal-analoog omzetter waarin genoemde storende wisselstrocmoonponenten worden geëlimineerd zonder dat aan de uitgangen van de permutatieschakeling condensatoren worden toegevoegd.

De uitvinding wordt daartoe gekenmerkt door

Of) een middelingsschakeling voor het telkens over een middelings-periode, die gelijk is aan genoemde cyclusduur of een geheel veelvoud daarvan, uit middelen van het uitgangssignaal van de combinatieschakeling, een bemonsteringsschakeling voor het telkens aan het einde van een middelingsperiode bemonsteren van het uitgangssignaal van die midde-25 lingsschakeling, en een synchonisatieschakeling voor het synchroniseren van de middelingsschakeling en de permutatieschakeling, zodanig, dat genoemde middelingsperiode met genoemde cyclusduur of een geheel veelvoud daarvan overeenstemt en voor het synchroniseren van de combinatieschakeling en 30 de middelingsschakeling, f zodanig, dat de canbinatieschakeling gedurende de middelingsperiode niet van stand verandert.

De uitvinding berust op het inzicht, dat - alhoewel op het eerste gezicht filtering aan de uitgang van de canbinatieschakeling niet mogelijk is omdat kruismodulatiecooponenten van die wisselstrootcomponen-35 ten en de omschakelingen van de canbinatieschakeling binnen het signaalspectrum kunnen ontstaan - eliminatie van die wissels troancatponenten mogelijk is door middeling van het uitgangssignaal van de combinatie- 8003948 * ί ΡΗΝ 9788 3 schakeling over een periode die gelijk is aan of permutatiecyclusduur of een geheel veelvoud daarvan, waarbij dan de stand van die combinatie-schakeling zich binnen die periode niet mag wijzigen.

De uitvinding kan nader worden gekenmerkt, doordat de middelings- 5 schakeling een integrator is met een terugstelschakeling voor het telkens aan het eind van een middelingsperiode terugstellen van die integrator.

Deze uitvoeringsvorm kan verder worden gekenmerkt, doordat de integrator een operationele versterker met een eerste capaciteit tussen in- en uitgang omvat, waarbij een terugstelschakelaar die 10 eerste capaciteit overbrugt, en waarbij een tweede capaciteit aanwezig is met een; wisselschakeling voor het verbinden van die capaciteit met de uitgang van de combinatieschakeling gedurende de middelingsperiode en het verbinden van die capaciteit met de ingang van die versterker aan het einde van telkens een middelingsperiode.

15 De digitaal analoog omzetter volgens de uitvinding toegepast in een analoog-digitaal omzetter waarbij een analoge signaalstroomingang met de uitgang van de combinatieschakeling is verbonden, kan nader worden gekenmerkt, doordat met de uitgang van de combinatlschakeling een integratiecapaciteit met parallel daaraan een terugstelschakelaar is on verbonden en met de ingang van een telkens aan het einde van een middelingsperiode geklokte comparator waarvan de uitgang een digitale signaal-generator bestuurd welke een digitaal signaal aan de ingang van de digitaal-analoog omzetter levert.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de 25 tekening waarin

Fig. 1 het blökschema van het principe van een digitaal-analoog omzetter volgens de uitvinding toont,

Fig. 2 enige signaalvormen ter verklaring van de werking van de omzetter volgens figuur 1 toont, 30 Fig. 3 een uitvoeringsvorm van een analoog-digitaal omzetter volgens de uitvinding met een meer in detail weergegeven uitvoering van de middelingsschakeling 5 toont, en

Fig. 4 schematisch de toepassing van een digitaal-analoog omzetter volgens de uitvinding in een analoog-digitaal omzetter toont.

35 Fig. 1 toont in blökschema het principe van een digitaal-analoog omzetter volgens de uitvinding, waarbij figuur 2 enige signaalvormen., ter verklaring van de werking van de omzetter volgens figuur 1 toont.

8003948 PHN 9788 4

De omzetter omvat een generator voor het genereren van een aantal s tronen met een nauwkeurige onderlinge sterkte-verhouding, - in dit voorbeeld vier stromen i^, i2, en i4 met bijvoorbeeld de binair gewogen waarden IQ, Iq/2' -^0/4 01 ^0/8 "" zoa^s bijvoorbeeld 5 beschreven is in het Amerikaans octrooischrift no. 3.982.172 (PHN 7513) en in het Amerikaans octrooischrift no. 4.125.803 (PHN 8376), waarbij opgemerkt wordt dat zowel een enkelvoudige trap alswel een cascade van dergelijke bekende trappen (Fig. 6 van USP 3.982.172) toepasbaar is.

De generator omvat in het algemeen een multiple stroombron 1 die een 10 aantal in hoofdzaak gelijke stromen levert aan een permutatieschakeling 2 die, daartoe bestuurd door een schakeling 3, bijvoorbeeld een schuif-register, een zodanig cyclisch repeterend verbindingspatroon genereert, dat aan uitgangen daarvan de gewenste stromen i^, i2, i^ en i^ met de gewenste onderlinge sterkteverhouding ter beschikking staan. Een en ander 15 is uitvoerig beschreven in genoemde octrooien. Op deze wijze ontstaan de strcmen i^ tot en met i4 waarvan de stromen i^ en i4, alsmede een klok-signaal c1, dat schakeling 3 bestuurt, in figuur 2 getoond worden. De stromen Zijn in dit voorbeeld repetent:, over vier stappen van de pemn-tatieschakeling 2, welke vier stappen een cyclusduur T definiëren. Elk 20 van de stromen vertoont een gewenste gelijkstroomsterkte met daarop ge-superponeert een wisselstrocmccmponent die door de oncfedinge afwijkingen van de door stroombron 1 geleverde stromen bepaald wordt, welke wissel-strocmcatponent over de cyclusduur T een gemiddelde waarde gelijk aan nul vertoont.

25 Met behulp van zo een binair gewogen reeks van stromen kan digitaal-analoog conversie gepleegd worden. Hiertoe is een combinatie-, schakeling 4 aanwezig die qp commando van een besturingschakeling 5, waaraan het digitale ingangssignaal via ingang 8 wordt toegevoerd, een aantal van de stromen i^ toten met i4 doorschakelt naar uitgang 12 waar.

30 aldus een analoge uitgangsstrocm i verschijnt. In figuur 2 is deze ci stroom ±a getoond wanneer achtereenvolgens op de tijdstippen tQ, t^ en t2 de digitale signalen 1001 (de bijbehorende stand van ccmbinatie-schakeling 4 toont figuur 1), 1010 en 1000 omgezet worden. Hierbij is verondersteld dat besturingsschakeling 5 door een kloksignaal c2 35 dusdanig bestuurd wordt dat ccmbinatieschakeling 4 alleen aan het begin van telkens een cyclus, dus in dit voorbeeld op de tijdstippen tQ, t^, t2, t3 van stand kan veranderen zodat de foutccmponent in het uitgangssignaal i telkens over een cyclus T een gemiddelde waarde gelijk aan ci 8003948 t PHN 9788 5 nul vertoont.

Het uitgangssignaal i wordt aan een middelingsschakeling 6 toegevoerd die in dit voorbeeld als integrator gedacht is, die telkens na een cyclus T op een beginwaarde teruggesteld wordt qp. commando van een 5 kloksignaal c^. Het uitgangssignaal i van die middelingsschakeling 6 vertoont dan een zaagtandvormig verloop zoals in figuur 2 vertoont is net een voor de eenvoud niet getoonde rimpel tengevolge van de foutcomponent en heeft telkens na een cyclus T een waarde alsof alleen de gelijkstrocm-component (9/8lQ, 10/8IQ respectievelijk IQ in dit voorbeeld) geïntegreerd 10 zou zijn omdat de foutcomponent over de cyclus T een gemiddelde waarde gelijk aan nul vertoont. Aan het eind van elke cyclus, dus qp de momenten tQ, t^, t2, tg wordt de integrator 6 teruggesteld en wordt juist daarvoor op commando van een kloksignaal c^ door middel van bemonsterings- en handschakeling 7 qp commando van kloksignaal c^ de eindwaarde van elke 15 integratiecyclus bemonsterd en vastgehouden. Het uigangssignaal ig aan uitgang 9 correspondeert dan met het signaal i zonder foutcomponent en is over één cyclus T verschoven.

Een klokgenerator 11 levert - met bijvoorbeeld een oscillator 10 als referentie - de diverse kloksignalen c^ tot en met c4· Het spreekt 20 vanzelf dat in de praktijk tussen de signalen c^ tot en met c^, die in 'figuur 2 als gelijktijdig optredend worden weergegeven, indien nodig vertragingen aangebracht dienen te worden bijvoorbeeld cm te verzekeren., dat de bemonstering vóór de terugstelling van middelingsschakeling 6 plaatsvindt. Indien nodig kan daartoe tussen de integratiecycly een 25 wachttijd van bijvoorbeeld 1 periode van kloksignaal c^ ingebracht worden.. Ook kan omwille van de nauwkeurigheid wanneer de ter beschikking staande bandbreedte dat toelaat middeling over meerdere cycly plaatsvinden, waarbij dan ook de digitale data ingifte via schakeling 5 maar eens per meerdere cycly kan plaatsvinden evenals de bemonstering.

30 Fig. 3 toont een uitvoeringsvoorbeeld van een digitaal-analoog omzetter volgens de uitvinding met een gedetailleerd weergegeven voorbeeld van een middelingsschakeling 6. Hierin is als blok 13 het gedeelte van de schakeling volgens figuur 1 met de schakelingen 1, 2, 3, 4 en 5 weergegeven. De middelingsschakeling 6 omvat een operationele versterker 35 18 met een condensator 16 tussen uitgang en inverterende ingang, welke condensator 16 door een terugstelschakelaar 17, die op ccmmando van het kloksignaal c^ bediend wordt, overbrugd is. De uitgang 12 van de eigen- 8003948 PHN 9788 6 lijke digitaal-analoog omzetter 13 is met de ene pool van een wissel-schakelaar 15, die door kloksignaal bestuurd wordt, verbonden, van van welke schakelaar de andere pool met de inverterende ingang van versterker 18 is verbonden en de gemeenschappelijke pool met de niet-5 inverterende ingang van versterker 18 én met massa is verbonden. Schakelaars 15 en 17 zijn in de praktijk meestal schakeltransistoren, zoals FET's.

Gedurende een middelingsperiode T staan, de schakelaars 15 en 17 in de getékende stand. De uitgangsstrocm i van digitaal-analoog cm-zetter 13 laadt dan condensator 14 op waarbij de aanwezige wisselstroan-camponent wordt geëlimineerd bij lading gedurende een cyclus T. Op het einde van telkens een cyclus wisselt schakelaar 15 en opent .schakelaar 17. Door de werking van de operationele versterker 18 wordt de lading die op capaciteit 14 aanwezig is, overgeheveld naar capaciteit 16 en staat 15 er aan de ingang van de bemonsteringsschakeling 7 een spanning die een maat is voor de gemiddelde waarde van het signaal i over één cyclus T. Nadat bemonsteringsschaJëLing 7 een monster genomen heeft schakelen schakelaars 15 en 17 .weer naar de getekende stand en wordt condensator 16 ontladen.

20

Figuur 4 toont de toepassing van een digitaal-analoog omzetter volgens de uitvinding in een analoog-digitaal omzetter volgens het "succesive approxination"-principe, welk principe erop berust dat D-A omzetter 13 een digitaal signaal aan ingang 8 krijgt toegevoerd en het daaruit verkregen analoge signaal aan uitgang 12 met het cm te zetten analoge signaal I vergeleken wordt met behulp van een comparator 20 waarna afhankelijk van de compardzie via een digitale signaalgenerator 21 het digitale signaal aan ingang 8 wordt gewijzigd, welke procedure achtereenvolgens een aantal malen kan worden doorlopen totdat het digitale signaal aan ingang 8 zo goed als mogelijk is overeenstemt met het 30 analoge signaal 1^, welk digitale signaal dan de digitale waarde van het analoge signaal I representeert.

Het principe volgens de uitvinding vindt in deze uitvoeringsvorm toepassing doordat aan de ingang van comparator 20 een integreerde capaciteit 21 aanwezig is die door middel van een door kloksignaal c~ 35 ^ bestuurde schakelaar 22 na telkens een cyclus T wordt ontladen. De comparator 20 krijgt daarbij het kloksignaal c^ toegevoerd cm telkens slechts aan het einde van een middelingsperiode een vergelijking uit te voeren.

8003948 ·*· -f PHN 9788 7

De middelingsperiode behoeft niet precies -zoals weergegeven in figuur 2 - in fase te zijn met de permutatie cyclus. De enige voorwaarde is, dat de middelingsperiode qua duur evenlang is als de permuta-tiécyclus of een geheel veelvoud daarvan.

5 De uitvinding beperkt zich niet tot de getoonde uitvoerings vormen. Het uitvoeren van een middelingsschakeling, een bemonsterings-schakeling e.d. zijn als zodanig bekende technieken.

10 15 20 25 30 35 8003948

Claims

1. Digitaal-analoog omzetter omvattende een strocmbronschakeling voor het genereren van een aantal straten van in hoofdzaak onderling gelijke stroansterkten, een permutatieschd^.ing voor het in een cyclisch perrauterend 5 patroon schakelen van die stromen naar uitgangen van die permutatie-schakeling zodat aan die uitgangen een aantal stromen met een onderlinge nauwkeurige gelijkstrocmsterkte verhouding en met een wissel-stroom-f outcoraponent, die door de ongelijkheid in de door de strocm-bronschakeling gegenereerde stromen bepaald wordt, ter beschikking staan, 10 een ingang voor het ontvangen van een digitaal ingangssignaal, een uitgang waarvan een door het digitale ingangssignaal bepaald analoog uitgangssignaal afgenomen kan worden, en een ccmbinatieschakeling voor het als funktie van het digitaal ingangssignaal samenstellen van het analoog uitgangssignaal uit de aan de uitgangen van de penoutatieschakeling ter beschikking staande stromen, gekenmerkt door een middelingsschakeling voor het telkens over een middelings-periode, die gelijk is aan genoemde cyclusduur of een geheel veelvoud daarvan, uit middelen van het uitgangssignaal van de ccmbinatieschake-20 ling, een bemonsteringsschakeling voor het telkens aan het einde van een middelingsperiode bemonsteren van eht uitgangssignaal van die middelingsschakeling en een synchronisatieschakeling voor het synchroniseren van de 25 middelingsschakeling en de permutatieschakeling, zodanig, dat genoemde middelingsperiode met genoemde cyclusduur of een geheel veelvoud daarvan overeenstemt en voor fet synchroniseren van de ccmbinatieschakeling en de middelingsschakeling, zodanig, dat de ccmbinatieschakeling gedurende de middelingsperiode niet van stand verandert.

2. Digitaal-analoog omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de middelingsschakeling een integrator is met een terugstelschakeling voor het telkens aan het eind van een middelingsperiode terugstellen van die integrator.

3. Digitaal-analoog omzetter volgens conclusie 2, met het ken- 35 merk, dat de integrator een operationele versterker met een eerste capaciteit tussen in- en uitgang omvat, waarbij een terugstelschakelaar die eerste capaciteit overbrugt, en waarbij een tweede capaciteit aan- 8003948 PHN 9788 9 wezig is met een wisselschakelaar van het verbinden van die capaciteit met de uitgang van de combinatieschakeling gedurende de middelings-periode en het verbinden van die capaciteit met de ingang van die versterker aan het einde van telkens een middelingsperiode.

4. Digitaal-analoog omzetter volgens conclusie 1, toegepast in een analoog-digitaal omzetter waarbij een analoge signaalstrocm-ingang met de uitgang van de combinatieschakeling is verbonden, met eht kenmerk dat met de uitgang van de combinatieschakeling een inte-gratiecapaciteit met parallel daaraan een terugstelschakelaar is 10 verbonden en met de ingang van een telkans aan het einde van een middelingsperiode geklokte comparator waarvan de uitgang een digitale signaal-generator bestuurd welke een digitaal signaal aan de ingang van de digitaal-analoog omzetter levert. 15 20 25 30 35 8003948