NL8105625A - Digitaal/analoog-omzetter van het type met integrerende werking. - Google Patents

Description

** C/Ca/eh/1351

Digitaal/analoog-omzetter van het type met integrerende werking.

De uitvinding heeft betrekking op een digitaal/analoog-omzetter van het type met integrerende werking, ✓ en meer in het bijzonder op een dergelijke omzetter voor omzetting van informatie van grote bitlengte in een analoog signaal bij een lage klokimpulsf reque'ntie.

Fig. 1 toont het principeschema van een digitaal/analoog-omzetter van bekend type met integrerende werking. Daarbij vindt toepassing plaats van een door een operationele versterker 1 met een terugkoppelcapaciteit C gevormde integrator 2? 'de capaciteit C integreert daarbij een via een schakelaar van een bron 3 van constante stroom afkomstige oplaadstroom I. Voor ontlading van de capaciteit C dient een schakelaar S2· Een n-bits teller 4 dient voor telling van klokimpulsen P1 met een periodeduur

Zoals uit de golfvorm volgens fig. 2A naar voren komt, wordt:'3i-bits informatie overgedragen voor, opslag in de teller 4. Vervolgens, zoals fig. 2B laat zien, wordt de schakelaar S2 gesloten voor ontlading van de capaciteit C, zodanig, dat de spanning aan de uitgangsaansluiting 5 naar nul gaat, zoals fig. 2G laat zien. Daarop wordt een start signaal volgens fig. 2C aan de schakelaar en de teller 4 toegevoerd, waardoor de schakelaar S1 wordt gesloten en. de .teller 4 wordt geactiveerd voor telling van klokimpulsen P1 volgens fig. 2D vanaf een vooraf ingestelde beginwaarde. Gelijktijdig daarmede begint de stroom I volgens fig. 2E te vloeien voor oplading van de capaciteit C, zodat de spanning aan de uitgangsaan-sluiting 5 weer begint te stijgen (zie fig. 2G). Wanneer het telresultaat van de teller 4 de waarde "2n" bereikt, wordt een overdrachtsignaal volgens fig. 2F af gegeven, waardoor de schakelaar wordt geopend en de oplading van de capaciteit C wordt onderbroken. Op die wijze wordt de capaciteit C tijdens een telduur T (zie fig. 2D), welke zich van het telbegintijd-stip tot het teleindtijdstip van de teller 4 uitstrekt, opgeladen tot een spanningswaarde V (zie fig. 2G). Deze spanningswaarde V komt overeen met de oorspronkelijke informatie en ver- , 8105625 - 2 - \ % schijnt aan de uitgangsaansluiting 5 als een in analoge vorm gebracht uitgangssignaal met de, gedaantes v = ij Idt (1)

Aangezien de maximale waarde.T „ van de telduur T van de . max 5 teller 4 wordt^bepaald door de vergelijking: .

Tmax = (2Π * l)Vl i2)' volgt voor de’ maximale waarde Vmax van de spanning V uit de vergelijking (1): ' Vmax S'2” - 1)T1 ‘3> 10 Anderzijds wordt opgemerkt, dat bij een impulscodegemoduleerd audiostelsel van gebruikelijk type ana-loog/digitaal-omzetting van een analoog audiosignaal in een impuls codegemoduleerd signaal van bijvoorbeeld n = 16 bits , per woord plaatsvindt bij een bemonsterperiodeduur van’onge-15 veer 20 ;isec. (50 KHz). Voor omzetting van een dergelijk. impuls codegemoduleerd signaal door middel van de digitaal/ analoog-omzetter volgens fig. 1 dient de periodeduur van de klokimpuls derhalve'te voldoen aan de volgende eis: 20 jusec. = (2n - 1) Xr 20 Voor n = 16 bits volgt dan Ίτ = 0,31 nsec., overeenkomende met een frequentie van 3,3 GHz. Een dergelijke hoge klokim-pulsherhalingsfrequentie is bij uitvoering van de digitaal/ analoog-omzetter als monolitische, geïntegreerde schakeling niet realistisch.

25 De onderhavige uitvinding stelt 2ich ten doel, een digi taal·/analoog-omzetter .te verschaffen, welke in staat is tot omzetting van informatie van betrekkelijk grote bitlengte bij een klokimpülsherhalingsfrequentie, welke laag ligt in vergelijking met dié van een dergelijke omzetter 30 van gebruikelijk type met integrerende werking, waardoor de mogelijkheid verkregen wordt om een voor omzetting van informatie met een betrekkelijk grote bitlengte geschikte omzetter als een monolitische, geïntegreerde schakeling uit te voeren.

Een ander doel. van de uitvinding is het 35 verschaffen van een digitaal/analoog-omzetter, welke informatie van betrekkelijk grote bitlengte met hoge nauwkeurigheid kan omzetten.

8105625 «Τ Λ - 3 -

Volgens de uitvinding is een dergelijke digitaal/analoog-omzetter van het type met integrerende werking gekenmerkt door: A) een integrator, 5 B) een aantal stroombronnen voor levering van stromen aan de integrator, C) een met het aantal stroombronnen overeenkomend aantal tellers, D) informatiedeelmiddelen voor deling van 10 digitale ingangsinformatie in een met het genoemde aantal overeenkomend aantal digitale informatiedelen, waarbij de stroom-sterkten van de door de stroombronnen geleverde stromen in overeenstemming met het gewicht van de digitale informatiedelen zijn gekozen, 15 E) een met het genoemde aantal overeen stemmend aantal schakelmiddelen, P) aandrijfmiddelen.voor aandrijving van de schakelmiddelen, en door G) een klokimpulsgenerator voor· levering 20 van klokimpulsen, êên en ander zodanig, dat de tellers na invoer van de digitale waarden van de digitale informatiedelen daarin een telling van de klokimpulsen uitvoeren, de schakelmiddelen door de aandrijfmiddelen worden gesloten voor toevoer van de stromen 25 van de stroombronnen aan de integrator, en.dat, wanneer het door één van de tellers gevormde telresultaat een vooraf bepaalde waarde bereikt, een respectievelijk bijbehorende van de schakelmiddelen door een respectievelijk bijbehorende van de aandrijfmiddelen wordt geopend voor onderbreking van de 30 door de respectievelijk bijbehorende stroombron aan de integrator geleverde stroom.

De uitvinding zal worden verduidelijkt in de nu volgende beschrijving aan de hand van de bijbehorende tekening van een uitvoeringsvoorbeeld, waartoe de uitvinding 35 zich echter niet beperkt. In de tekening tonen: fig. 1 een principeschema van een digitaal·/ analóog-omzetter van gebruikelijk type met integrerende werking, 8105625 i - 4 - fig. 2A-2G enige tijdbasissehalen ter verduidelijking van de-werking van de omzetter volgens fig. 1, fig. 3 een principes chema van een ui tvoe rings-voorbeeld van een omzetter volgens de uitvinding, en 5 /- fig. 4A-4L enige tijdbasissehalen ter ver duidelijking van de werking van de omzetter volgens fig. 3.

Bij het in fig. 3 weergegeven uitvoerings-voorbeeld van een digitaal/analoog-omzetter volgens de uitvinding van het type,met integrerende werking, wordt de op-10 laadstroora I voor de integrator 2 via twee schakelaars en S12 toegevoerd uit twee respectieve bronnen 11 en 12 van constante stroom met de waarde 1^. respectievelijk I^· Daarbij is voor de verhouding van de stroomwaarde I, tot de stroom- 8 ^ waarde I2 gekozen 2 : 1. Informatie-eenheden , D2, enz.

15 van steeds 16 bits, welke aan de ingangsaansluiting 13 verschijnen, wordén respectievelijk verdeeld in 8 bovenste significante bits en 8 onderste significante bits. De 8 bovenste significante bits worden steeds ingesteld in een 8-bits teller, terwijl de 8 onderste significante bits worden ingesteld in 20 een 8-bits teller 17. De schakelaars en Sj2 worden voor het uivoeren van de integratie gesloten; de tellers 16 en 17 tellen de van een klokimpulsgenerator 18 afkomstige, klokimpulsen P^. De schakelaar wordt geopend in reactie op een over-•drachtsignaal van de teller 16, terwijl de schakelaar Sl2 in 25 reactie op een overdrachtsignaal van de teller 17 wordt geopend. De stromen Ij en I2, waarvan de grootten vooraf zijn gekozen in overeenstemming met het "gewicht" van de 8 bovenste significante bits en de 8 onderste significante bits, vloeien gedurende met de respectieve informatie-eenheden overeenkomende 30 tijdsduren voor oplading van de capaciteit C. De oplaadspan-ning verschijnt aan de uitgangsaansluiting 5 in de gedaante van een aan digitaal/analoog-omzetting onderworpen uitgangs-spanning V. Aangezien de informatie-eenheden van 16 bits steeds zijn verdeeld in twee gelijktijdig te bewerken delen, komt 35 de totale bewerkingsduur overeen met dié van 8-bits informatieverwerking, zodat met een lage klokimpulsherhalingsfrequentie kan worden gewerkt.

8105625 Λ* * - 5 -

Aan de hand van de tijdbasisschalen volgens fig. 4 zal nu de werking van de omzetter volgens fig. 3 worden beschreven.

Wanneer aan de. ingangsaansluiting 13 een 16-5 bits informatie-eenheid volgens fig. 4A verschijnt, wordt deze informatie-eenheid aan de respectieve 8-bits schuif-registers 19 en 20 toegevoerd, zulks op basis van via een ingangsaansluiting 14 toegevoerde klomimpulsen P2 volgens fig. 4B. Bij het middelste of 8-ste bit van de informatie-eenheid 10 verschijnt aan een ingangsaansluiting 15 een omzetcommando-signaal Pc volgens fig. 4C. Door de voorflank van dit omzet-commandosignaal Pc wordt een tijdritmebesturingsschakeling 21 teruggesteld; deze schakeling bestaat uit een teller, een ver-grendelingsschakeling, enz. en wordt synchroon met van de klok-15 impulsgenerator 18 afkomstige klokimpulsen aangedreven voor afgifte van een stelsignaal Pg, een schakelstuursignaal Pg^, een poortschakelsignaal PG, enz., welke nog nader zullen worden beschreven en op vooraf bepaalde tijdstippen worden ». af gegeven. Wanneer de 8 bovenste significante bits aan het 20 schuif register 19 worden toegevoerd en de 8 onderste significante bits aan het schuif register 20 worden toegevoerd, daalt het niveau van het omzet commandos ignaal Pc- Door de achterflank van het signaal Pc wordt de tijdritmebesturingsschakeling 21 geactiveerd voor zodanige besturing, dat de .informatie-inhoud 25 van de respectieve schuifregisters 19 en 20 naar de respectieve schuifregisters 22 en 23 overgaat. Vervolgens geeft de schakeling 21 het stelsignaal Pg volgens fig. 4I> en het schakelstuursignaal Pgw af. Door de voorflank van het stelsignaal Pg wordt de instelling van de in de vergrendelschakeling 22 30 vergrendelde, 8 bovenste significante bits in de teller 16 teweeg gebracht, terwijl de in de vergrendelschakeling 23 vergrendelde, 8 laagste significante bits in de teller 17 worden ingesteld. Door de voorflank van het. schakelstuursignaal Pgw> wordt de schakelaar via een vergrendelschakeling 24 ge-35 sloten. De capaciteit C begint dan te ontladen? de aan de uit-gangsaansluiting 5 verschijnende uitgangsspanning. valt dan af, zoals fig. 4L laat zien. Door de achterflank van het stel-signaal Pg worden de vergr'endelschakelingen 25 en 26 ingesteld.

8105625 I' - 6 - ' r (

Afgifte van een uitgangssignaal van de waarde Ml" 'door de vergrendelschakeling 25 heeft tot gevolg, dat de schakelaar S11 v^a een 27 wordt gesloten, terwijl . afgifte van een' uitgangssignaal ter waarde "1” door de ver-5 grendelschakeling '26 rechtstreeks tot het sluiten'van de schakelaar Sl2 leidt. De stroom I begint dan te vloeien. Wanneer het schakelstuursignaal Pg^, vervolgens afvalt, wordt de schakelaar S2 geopend, terwijl de tijdritmebesturings-schakeling 21 tegelijkertijd het poortschakelsignaal PG volgens 10 fig. 4F af geeft, waardoor een EN-poortschakel’ing 28 wordt opengestuurd.

. Als gevolg daarvan begint de capaciteit C van de integrator 2 zich op te laden? via de EN-poortschake-. ling 28 worden klokimpulsen voor het starten van de’ telling 15 naar de tellers 16 en 17 doorgelaten. Deze laatstgenoemden starten hun telling van respectievelijk de 8 bovenste significante bits en de 8 onderste significante bits tot het bereiken.

8 van de telwaarde 2 . De stroom I zal derhalve tijdens de door de tellers 16 en 17 uitgevoerde telling gelijk aan 1^ + I2 zijn. 20 De capaciteit C wordt door deze stroom- I opgeladen en de aan de uitgangsaansluiting’ 5 verschijnende uitgangsspanning 8 volgens fig. 4L stijgt. Wanneer de teller. 16 de telwaarde 2 bereikt, voordat ook de teller 17 deze telwaarde heeft bereikt, wordt door de teller 16 een overdracht signaal CA. volgens fig„ 25 ' 4H afgegeven voor terugstelling van de/grendelschakeling 25, welke dan een uitgangssignaal ter. waarde "O" af geeft, zoals fig. 41 laat zien. Dit uitgangssignaal van de/grendel'schake-ling 25 dient dan als' schakels tuursignaal Pg^ voor de schakelaar S.^, welke via de vergrendelschakeling 27 wordt geopend.

30 Daarna wordt de oplading voortgezet bij een stroomwaarde I = l0, waarbij de uitgangsspanning verder stijgt. Wanneer ook de ^ 8 teller 17 zijn telwaarde 2 bereikt, geeft hij een over-drachtssignaal CA2 volgens fig. 4j af voor terugstelling van de vergrendelschakeling 26, welke dan een uitgangssignaal ter 35 waarde "0" volgens fig. 4K afgeeft. Dit uitgangssignaal dient als schakelstuursignaal Pg2 voor de schakelaar Sl2, welke daardoor wordt geopend voor onderbreking van de oplading van 'de capaciteit C. De aan de uitgangsaansluiting 5 verschijnende 8 1 0 5 6 2 5 .

• , - 7 - uitgangsspanning V vertegenwoordigt op dat ogenblik de analoge waarde van de informatie-eenheid D^.. Wanneer vervolgens de informatie-eeiiheid aan de ingangsaansluiting 13 wordt toegevoerd, herhaalt de omzetter de hiervoor beschreven operaties.

5 ;· Aangezien voor de stroom I, een waarde is gekozen, welke 256 x dié van -de stroom bedraagt, zal zelfs het optreden van een kleine fout in het tijdstip van openen en het tijdstip van sluiten van de schakelaar , bijvoor-• beeld als gevolg van in de schakeltijdsduur van de vergrendel-10 schakeling 25 optredende variaties, aanleiding tot het Optreden van een grote fout in de ui tgangs spanning V geven» Teneinde dit probleem tegen.te gaan vindt bij het hier beschreven uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding toepassing plaats van de vergrendelschakeling 27, welke door de klokimpulsen P^ wordt '15 teruggesteld, zodat het uitgangssignaal van de vergrendelschakeling 25 en daarmede het openen en sluiten van de schakelaar Si;L met de klokimpulsen P1 wordt gesynchroniseerd. Ook is het mogelijk om de vergrendelschakeling 27 te vervangen door de vergrendelschakeling 25, welke dan door de klokimpulsen 20 P1 wordt teruggesteld. Ook de vergrendelschakeling 24 wordt door de klokimpulsen P^^ teruggesteld, zodat het openen en sluiten van de schakelaar S2 met het sshakelstuursignaal Pgw worden gesynchroniseerd. Bij het hier beschreven uitvoeringsvoorbeeld wordt een ontvangen 16-bits informatie-eenheid in 25 twee 8-bits.informatiedelen verdeeld, zoals reeds eerder is opgemerkt. Thans wordt echter opgemerkt, dat de ingangsinfor-matie niet noodzakelijkerwijs in twee helften behoeft te worden verdeeld. Meer in het algemeen kan worden gesteld, dat een willekeurig aantal m bovenste bits van een ή-bits ingangsinfor— 30 matie-eenheid (waarbij n > m), als bovenste significante bits kunnen worden afgescheiden, waarbij de overige (n - m> bits van de informatie-eenheid als onderste significante bits resteren. Voor een dergelijk geval kan de hiervoor vermelde vergelijking (3) worden herschreven tot: 35 V = Ξΐ (2m -1)K -f* ii(2n - ijr (4).

Aangezien Ij = 2n_ . l^r kan de vergelijking (4) worden herschreven tot: 8105625 ' ' t* ' - 8 -

Vmax ΪΓ'2" - » tl ' <5>

Dit wil zeggen, dat een soortgelijke digitaal/analoog-omzetting als volgens de-vergelijking (3) wordt verkregen* Uit het oogpunt van nauwkeurigheid, omzettijdsduur enz* verdient het 5 in de praktijk de voorkeur om voor m een dichtbij n/2 gelegen waarde te kiezen. Wanneer n = 16 en i = . S, zoals bij het in het voorgaande beschreven uitvoeringsvoorbeeld, zal de maximale stabiliseringstijdsduur van 10 ;usec* van de uit de omzetting resulterende uitgangsspanning V bij een bemonsterperiode-

O

10 duur van 20 jusec. gelijk zijn aan of groter zijn dan (2 - 1)'fc',. Dit wil zeggen, dat = 39 nsec. Hieruit volgt, dat de klok-impulsen slechts een impulsherhalingsfrequentie van ongeveer 25,5 MHz of zo behoeven te hebben, hetgeen ongeveer 1/256 van de bij de bekende omzetter .volgens fig* 1 toegepaste frequentie 15 van ongeveer 3,3 GHz. bedraagt.

Het voorgaande geldt uiteraard voor het geval, dat de informatie-eenheden in twee delen worden verdeeld. Wanneer de ingangsinforraatie in drie of meer delen wordt verdeeld, kan de klokimpulsherhalingsfrequentie uiteraard nog 20 lager worden gekozen.

De uitvinding beperkt zich niet tot het in het voorgaande beschreven en in de tekening weergegeven uitvoeringsvoorbeeld; verschillende wijzigingen kunnen in de beschreven componenten, en in hun onderlinge. samenhang worden aan-25 gebracht, zonder dat daarbij het kader van de uitvinding wordt overschreden.

v' 8 T 0 5 6 2 5

Claims (6)

1. Digitaal/analoog-omzetter met een integrator en een klokimpulsgenerator, gekenmerkt door: • een aantal stroombronnen voor levering van stromen aan de integrator, 5 een met het aantal stroombronnen overeen komend aantal tellers, informatiemiddelen voor deling van digitale ingangsinformatie in een met het genoemde aantal overeenkomend aantal digitale informatiedelen, waarbij de stroomsterkten van 10 de door de stroombronnen geleverde stromen-in overeenstemming met het gewicht van de digitale informatiedelen zijn gekozen, een met het genoemde aantal overeenstemmend aantal schakelmiddelen, en door aandrijfmiddelen voor aandrijving van de 15. chakelmiddelen, ëên en ander zodanig, dat de tellers na invoer van de digitale waarden van de digitale informatiedelen daarin een telling van de klokimpulsen uitvoeren, de schakelmiddelen door de aandrijfmiddelen worden gesloten voor toevoer van de stremen 20 van de stroombronnen aan de integrator, en dat, wanneer het door êên van de tellers gevormde telresultaat een vooraf bepaalde waarde bereikt, een respectievelijk bijbehorende van de schakelmiddelen door'-een, respectievelijk bijbehorende van de aandrijfmiddelen wordt geopend voor onderbreking van de 25 door de respectievelijk bijbehorende stroombron aan de integrator geleverde stroom.

2. Omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk r dat de informatiedeelmiddelen een. aantal schuifregisters bevatten.

3. Omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tenminste de bij het digitale informatiedeel van het grootste gewicht behorende aandrijfmiddelen synchroon met de klokimpulsen worden bekrachtigd.

4. Omzetter volgens conclusie 1, met het 35 kenmerk, dat de digitale ingangsinformatie door de informatie- 8105625 - 10 - deelmiddelen. in twee gelijke informatiedelen wordt gedeeld.

5. Omzetter volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de informatiedeelmiddelen een eerste schuifre-gister voor de bovenste significante bits van het ene digi- 5 tale informatiedeel en een tweede schuif register voor de onderste significante bits van het tweede informatiedeel omvatten.

6. Omzetter volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat tenminste de bij de bovenste significante bits 10 behorende aandrijf middelen synchroon met de klokimpulsen worden bekrachtigd. Λ t 8 1 0 5 6 2 5