DE2222182C2

DE2222182C2 - Isolierter Digital-Analog-Wandler

Info

Publication number: DE2222182C2
Application number: DE2222182A
Authority: DE
Inventors: Stavros Boca Raton Fla. Boinodiris; George Arlen Deerfield Beach Fla. Hellwarth
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-06-30
Filing date: 1972-05-05
Publication date: 1982-04-15
Also published as: DE2222182A1; CA935926A; JPS5141544B1; US3697980A; IT955881B; FR2143735A1; FR2143735B1; GB1336283A

Description

Die Erfindung betrifft einen isolierten Digital-Analog-Wandler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Digital-Analog-Wandler bezieht sich auf

die Umsetzung von digitalen Daten in eine analoge Spannung. Er soll eine in hohem Maße genaue Analogspannung abgeben, auch wenn das Bezugspotential der ausgangseitig angeschlossenen Lastimpedanz von dem Bezugspotential der digitalen Daten verschieden ist.

Bei der Konstruktion von Digital-Analog-Wandlern ist angestrebt worden, das Bezugspotential der ausgangsseitigen Lastimpedanz dem Bezugspotential der binären Eingangsdaten und der Stromversorgung gleich zu machen. Bei der praktischen Anwendung müssen dabei besondere Erdungsverfahren angewendet werden, um für das gesamte Wandlersystem ein einziges Bezugspotential zu schaffen. Dies ist dann besonders schwierig zu erreichen, wenn die ausgangsseitige Lastimpedanz sich an einem von dem eigentlichen Digital-Analog-Wandler entfernten Ort befindet.

Anstatt gleiche Bezugspoter.tiale vorzusehen, hat man auch zwei Methoden angewendet, um verschiedene Bezugspotentiale der Lastimpedanz und der Datenquelle vorzusehen, ohne daß unerwünschte Signale an der Lastimpedanz induziert werden. Bei einer dieser Methoden wird eine sehr hohe Ausgangsquellenimpedanz verwendet, d. h. eine Ausgangsstromquelle in Verbindung mit einer stromabhängigen Last oder einer Präzisionslastimpedanz, wodurch die gewünschte Präzision der Ausgangsspannung erhalten wurde. Diese Methode ist jedoch wegen der der Lastimpedanz auferlegten Beschränkungen häufig unbequem. Zusätzlich wird die Größe der zulässigen Bezugspotentialdifferenzen durch den direkt angekoppelten Ausgangskreis der Schaltung begrenzt.

Bei einer zweiten, häufiger verwendeten Methode zum Arbeiten mit verschiedenen Bezugspotentialen an Eingang und Ausgang werden die digitalen Eingangsdaten und die Stromversorgung mittels eines vollständig isolierenden Zwischengliedes mit Hilfe von abgestrahlter elektromagnetischer Energie angekoppelt. Zum Beispiel ist die Verwendung von ELjnkerntransformatoren üblich, um die elektrische Energie über einen für Gleichströme nichtleitenden Obetragungsweg zu koppeln.

Jedoch haben die bekannte, mittels einer Transformatorkoppelung gleichstrommäßig isolierten Digital-Analog-Wandler beträchtlich verschiedene Verhaltenseigenschaften je nachdem, welche der beiden Signalausgangsleitungen mit dem Last-Bezugspotential verbunden wird, welches die Polarität des Ausgangssignals bestimmt. Aufgrund der für diese bekannten Schaltungen charakteristischen Unsymmetrie ist die Fähigkeit der Schaltung, an die Last eine von dem Bezugspotential unabhängige Spannung zu liefern, begrenzt, wenn der »normale« Ausgangsanschluß an das Bezugspotential der Last gelegt wird. Andererseits kann sich eine zufriedenstellende Betriebsweise der Schaltung ergeben, wenn der »Gemeinsame« oder »Erdungs«-Ausgangsanschluß an das Bezugspotential der Last gelegt wird. Aus diesem Grund sind die bekannten Digital-Analog-Wandler zur Abgabe von sehr genauen Ausgangssignalen nur für eine Polarität des analogen Ausgangssignals imstande.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Gleichstrom- und Wechselstromtrennung zwischen den Eingänge?: und dem Ausgang des Digital-Analog-Wandlers zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.

Mit einem Digiial-Analog-Wandler mit den Merkmalen der Erfindung kann man vom Digital-Analog-Wandler für die an dessen beide Ausgangsanschlüsse angeschlossene Last genaue analoge Ausgangssignale erhalten, wobei ein beliebiger der beiden Ausgangsanschlüsse an ein externes Bezugspotential gelegt werden kann, ohne daß die Genauigkeit des Digital-Analog-Wandlers beeinträchtigt wird. Wechselstromsignale, die innerhalb der Wandlerschaltung entstehen, können aufgrund des Hochfrequenz-Sperrgliedes nicht zur ausgangsseitigen Last gelangen. Wenn das Bezugspotential der ausgangsseitigen Last vom Bezugspotential des Datenein.gangs und dem Bezugspotential der Stromversorgungsquelle der WandlerscLaltung verschieden ist, treten dennoch keine Fehler innerhalb des Digital-Analog-Wandlers auf.

Durch die symmetrische Differenzschaltung des erfindungsgemäßen Digital-Analog-Umsetzers ist dafür gesorgt, daß Gleichtaktspannungen über der Lasümpedanz keine Differenzspannungen hervorrufen, so daß der Ausgangsanschluß eines beliebigen der beiden Verstärker mit dem Bezugsanschluß der Last verbunden werden kann, ohne daß das Gleichtaktunterdrückungsverhalten des Wandlers beeinflußt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Digital-Analog-Wandlers,

Fig. 2 eine ins einzelne gehende Darstellung einer Bezugsspannungsquelle zur Zuführung von Präzisionsbezugsspannungen zu den Eingangsanschlüssen von Operationsverstärkern; und
Fig.3 eine ins einzelne gehende Darstellung eines Trennkopplungsgliedes und eines Filtergleichrichters zur Ankopplung der binären Daten und eine Stromquelle an die Wandlerschaltung.

Gemäß F i g. 1 wird ein /V-stelliges binäres Eingangssignal an binären Eingangsanschlüssen 1, 2 N

in empfangen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Datenbits gleichzeitig an den Eingangsanschlüssen empfangen, wobei ein »1«-Bit durch das NichtVorhandensein eines Impulses dargestellt wird. Jeder Anschluß ist mit einem Modulator 22 verbunden.

Wie in der Zeichnung zu sehen ist, ist der Anschluß 1 mit eiiiem Modulator i, der Anschluß 2 mit einem Modulator 2 usw. verbunden. Jeder Modulator wird von einem Datenoszillator 21 getrieben, der eine Taktquelle für jede Gruppe von empfangenen Datenbits darstellt.

Der Modulator 22 ist von üblicher Bauart und liefert einen Ausgangsspannungsimpuls an ein Trennkopplungsglied 24, wenn ein Impuls von dem Datenosziliator 21 mit einem binären Dateneingangssignal koinzidiert. Der Modulator an sich bekannter Bauart kann ein mit hoher Geschwindigkeit arbeitendes UND-Tor enthalten, um die Datensignale mit einer von dem Datenoszillator 21 kommenden Impulsfolge zu modulieren.

Der Ausgangsimpuk des Modulators 22 wird über das Trennkopplungsglied 24 und einen Filtergleichrichter 26 geführt, um ein Gleichstromsignal an die Basisklemmen von zueinander komplementären Transistoren 51 und Si' zu legen, die in der Art eines symmetrischen invertierenden Doppelschalters arbeiten. Die besondere Bauart des Trennkopplungsgliedes 24 und des Filtergleichrichters 26 wird nachstehend noch ausführlich beschrieben. Es isc zunächst nur erforderlich zu wissen, daß die Impulse an den Basisanschlüssen der Transistoren 51 und S \' von einander entgegengesetzter Polarität sind, so daß beide Transistoren gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden, je nachdem, ob an ihren Eingangsklemmen eine »1« oder eine »0« liegt. Jeder Datenbitkanal erzeugt genügend Basisstrom und genügend Basisspannung, um die Transistoren 51 und 5 Γ umzuschalten.

Die Emitter der Transistoren 51 und SY sind mit Widerständen R 1 bzw. R Y verbunden. Die miteinander verbundenen Kollektoranschlüsse der beiden Transistoren sind mit einem Querkondensator CX verbunden. In ähnlicher Weise sind die Schaltertransistoren 52 und 52' mit Widerständen R 2 bzw. R 2' und mit einem Querkondensator C2 verbunden usw. In einem typischen Anwendungsfall enthält der Umsetzer acht bis zehn binäre Eingangsanschlüsse.

Die zueinander komplementären Transistoren werden in der invertierenden Betriebsweise betrieben, um sehr geringe Emitter-Kollektor-Spannungen im Sättigungszustand zu erhalten. Die Schalter sind potentialmäßig schwimmend und bilden keine Gleichstromwege zu irgendeinem anderen Teil der Wandlerschaltung. Der gesamte Strom fließt durch die symmetrischen Widerstände und zu den Summieranschlüssen (— Anschlüssen) von Verstärkern 30 und 32. Die symmetrische Schaltungsweise der gegensinnig leitenden Transistoren ergibt im Endeffekt einen einpoligen Ein-Aus-Schalter zwischen den damit verbundenen Widerständen; für jeden Leitungszustand der Transistoren ist die die Widerstände treibende Impedanz gleich und bezüglich des Verstärkerbezugspotentials auf eine Leitung 74

symmetrisch. Daher bleibt die Spannung über den Querkondensatoren Cl,..., CN für jeden Zustand der Eingangssignale nahe bei null.

Die Widerstände R\ und RY weisen vorzugsweise einen gleichen Wert auf; jedoch müssen sie nicht genau gleich sein. Eine genaue Betriebsweise ist sichergestellt, wenn die Summe der Widerstandswerte von R 1 und R Y genau bemessen wird. Vorzugsweise sind die Summen der Widerstandswerte Ri+RV, R2 + R2', ..., RN+RN' nach Art einer geometrischen Reihe aufeinander bezogen nach Maßgabe der den entsprechenden Eingangsbits 1, 2 N zugeordneten

Gewichte. Zum Beispiel kann die Beziehung der Widerstandswerte so gewählt werden, daß sie für binärkodierte Eingangsdaten jeweils um einen Faktor 2 variieren; in Form einer mathematischen Gleichung ausgedrückt:

Ri + Ri' = 2'Ro, für 1<ί<Λ'

(1)

20

Dabei ist Ri+Ri' der Gesamtwiderstandswert des /-ten Daleneingangskanals und Ro ein Grundwiderstandswert, z. B. 1,25 kQ..

Die Ausgangsanschlüsse der Widerstände R\,R2

RN sind über eine gemeinsame Ausgangsleitung 73 mit dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 32 verbunden. In ähnlicher Weise sind die

Ausgangsanschlüsse der Widerstände R V, R 2' RN'

über die gemeinsame Leitung 72 mit dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 30 ver- jo bunden. Jede Gruppe abgeglichener Widerständen Ri+ Λ/'liegt also mit jeder anderen Widerstandsgruppe zwischen den Summierklemmen der Verstärker 30 und 32, in Parallelschaltung, wenn die jeweils zugeordneten Transistorschalter S/und S/'betätigt sind.

Der im Zusammenhang mit den Verstärkern 30 und 32 verwendete Begriff »Operationsverstärker« soll bedeuten, daß es sich um einen Differenzverstärker sehr hoher Verstärkung handelt, der ein Paar Eingangsanschlüsse, einem einzigen Ausgangsanschluß und zwei Stromversorgungsanschlüsse mit der Funktion einer ausgangsseitigen Erdung aufweist.

Eine Wechselstromquelle 6 ist an ein Trennkopplungsglied 7 angeschlossen; der Wechselstrom wird durch einen Filtergleichrichter 8 gleichgerichtet und gefiltert und dann über Leitungen 12 und 13 beiden Verstärkern 30 und 32 und einer potentialmäßig schwimmenden Bezugsspannungsquelle 14 zugeführt Das Trennkopplungsglied 7 ist ähnlich aufgebaut wie das Trennkopplungsglied 24, welches im einzelnen noch im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben wird. Die Bezugsspännüngsqücnc 14 ist vorzugsweise eine Präzisionsspannungsquelle. die den Verstärkern 30 und 32 Spannungen und Ströme verschiedener Werte zuführt Der besondere Aufbau einer bevorzugten Form dieser Bezugsspannungsquelle 14 wird noch im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben. Die Stromquelle 6 besteht vorzugsweise aus einem Spannungsumformer und Spannungsregler üblicher Bauart, der eine in gewissen Grenzen geregelte Wechselspannung erzeugt Vorzugsweise erzeugt die Stromquelle über die Filtergleichrichter 8 eine Ausgangsspannung von 30 V bei 30 nA mit einer Welligkeit von 200 mV.

Die Stromquelle ist über Kondensatoren 10 und 11 wechselspannungsmäßig auf das Verstärkerbezugspotential der Leitung 74 bezogen, die jeden verbleibenden Rest von Wechselstromanteilen aus der Wechselstromquelle an die Ausgangspunkte 31 und 33 leiten. Diese Wechselstromanteile werden dann jedoch durch ein Symmetrieglied 36 blockiert und gelangen nicht zu den Ausgangsleitungen 37 und 38. Die Bezugsspannungsquelle 14 stellt an Anschlüssen 15, 16, 17 und 18 verschiedene genau bemessene Potentiale bereit. Diese Potentiale werden V15, K16, K17 und K18 genannt, wobei der Bezugspunkt das Potential der zwischen den Kondensatoren 10 und 11 liegenden Leitung 74 ist, welches das schwimmende Bezugspotential der Wandlerschaltung ist. Das Potential V\5 liefert der Summierleitung 72 und damit dem invertierenden Anschluß (-) des Verstärkers 30 über den Vorwiderstand R_a einen Eingangsstrom. In ähnlicher Weise liefert das Potential V18 der Summierleitung 73 und damit dem invertierenden Anschluß (-) des Verstärkers 32 über den Vorwiderstand Raa einen Eingangsstrom. Rückkopplungswiderstände Rf und Rff dienen dazu, die Niederfrequenzverstärkung der Verstärker 30 bzw. 32 zu steuern. In einem typischen Anwendungsfall ist Rf=Rff und Ra=Raa. Die Potentiale V16 und V17 werden dem nichtinvertierenden Anschluß ( + ) des Verstärkers 30 bzw. 32 zugeführt und dienen als Grunddifferenzbezugsspannung für das symmetrische Widerstandsnetzwerk.

Die Ausgangsspannung Vo der symmetrischen Verstärkerschaltung wird an den Ausgangsanschlüssen 31 und 33 entnommen und über das Symmetrierglied 36 einem zweipoligen, mit einer Abschirmung 39 versehenen Kabel zugeführt. Das Kabel stellt eine Verbindung zu einer Last 40 her, die sich üblicherweise an einem von der Wandlerschaltung entfernten Ort befindet. Das Bezugspotential 75 der Last kann von dem Bezugspotential 76 am Eingang der Wandlerschaltung beträchtlich verschieden sein, wobei die Differenz zwischen diesen beiden Potentialen die Gleichtaktspannung (common-mode) genannt wird. Die an den positiven und negativen Leitungen der Last 40 anliegende gewünschte Ausgangsspannung wird Differenztaktspannung (differential mode) der Wandlerschaltung genannt

Die Kombination des am Ausgang der Wandlerschaltung liegenden Symmetriergliedes 36 und der beiden Querkondensatoren 21 und 23 verhindert daß die Wandlerschaltung restliche Umformerleckströme entweder von der Stromquelle 6 oder von dem Trennkopplungsgliedern 24 zu der Last 40 durchläßt. Die Widerstände 34 und 35 dienen dazu, den Gleichtakt-Resonanzkreis zu dämpfen, welcher von der magnetischen Induktivität des Symmetriergliedes und den Streukapazitäten zwischen dem schwimmenden Bezugspotential auf Leitung 74 und dem Bezugspotential 76 der Schaltung gebildet wird.

Das Symmetrierglied 36 und die Kondensatoren 21 und 23 wirken als hohe Impedanzen bei sehr hohen Frequenzen einschließlich derjenigen oberhalb der Bandbreiten der Verstärker 30 und 32. Aufgrund der symmetrischen Schaltungsweise der Verstärker werden die Gleichtaktspannungen daran gehindert Differenztaktspannungen an der Lastimpedanz 40 zu induzieren, und zwar unabhängig davon, welche der Ausgangsleitungen 37 oder 38 an das Potential 75 angeschlossen ist

Faßt man das oben Beschriebene zusammen, so werden die Verstärker 30 und 32 als Differenzverstärker in einer symmetrischen Schaltung verwendet wobei die dem einen Verstärker zugeordneten Widerstände Widerstandswerte aufweisen, die ungefähr gleich den Widerstandswerten der dem anderen Verstärker zugeordneten Widerstände sind, d.h. Rf= Rff und Ra=Raa. Jede von einem binaren Eingangssignal

betätigte Schalterstufe bringt ihre zugeordnete Widerstandsgruppe Riund Ri'\n Serienschaltung zwischen die Summieranschlüsse der Verstärker 30 und 32, und jede so geschaltete Widerstandsgruppe liegt parallel zu jeder anderen derartig zwischen die Verstärker gelegte Widerstandsgruppe.

F i g. 2 ist ein schematisches Diagramm der Bezugsspannungsquelle 14 von Fig. 1, die über die Leitungen 15, 16, 17 und 18 eine Reihe von Präzisionsspannungen an die zugeordneten Eingänge der Verstärker 30 und 32 legt. Die Bezugspannungsquelle 14 ist üblicherweise als Zener-Regelschaltung mit zwei Querzweigen bekannt, deren Hauptkomponenten aus Zener-Dioden 52 und 53 in einem ersten Querzweig zwischen den Eingangsleitungen 12 und 13 und aus einer Zener-Diode 57 in einem zweiten Querzweig bestehen. Die Dioden sind in Sperrichtung gepolt, wie das in üblichen Regelschaltungen dieser Art der Fall ist, und zwar durch die Gleichspannung, die über den Filtergleichrichter 8 von der Stromquelle 6 erhalten wird. Die von dem Filtergleichrichter 8 erhaltene Gleichspannung an den Eingangsanschlüssen 12 und 13 ist größer als die gewünschte geregelte Spannung, weiche an die Leitungen 15, 16, 17 und 18 gelegt werden soll. Die Eingangsspannung ist, wie bereits erwähnt wurde, aufgrund der Bauart der Stromquelle 6 in gewissen Grenzen bereits geregelt; jedoch kann sich ihr Wert noch verändern. Die Last an den Ausgangsanschlüssen 15 bis 17 darf sich nichPändern. Beim Betrieb wird die von dem Filtergleichrichter 8 empfangene Gleichspannung nach dem Abfall an den Widerständen 50 und 51 zunächst durch die Dioden 52 und 53 regulier:. Die so regulierte Spannung fällt dann an den Widerständen 55 und 56 ab und gelangt an den die Diode 57 enthaltenden zweiten Querzweig. Der einstellbare Widerstand 58 leitet die endgültig geregelte Spannung zu den Widerständen 60,61 und 63 und dient als Spannungsteiler, mit dem die minimale Ausgangsspannung der Wandlerschaltung genau auf null eingeeicht werden kann, wenn die binäre Eingangssignale ihren »Aus«-Zustand aufweisen. Die Kondensatoren 65, 66 und 67 sorgen für eine Entkopplung von hochfrequenten Störsignalen, indem sie die Quellenimpedanz der Bezugsspannungsquelle 14 für hohe Frequenzen herabsetzen. Das Potentiometer 61 dient zum genauen Einreichen der maximalen Ausgangsspannung der Wandlerschaltung, wenn alle binären Eingangssignale den »Ein«-Zustand aufweisen.

F i g. 3 ist eint .ns einzelne gehende schematische Darstellung eines Trennkopplungsgliedes 24 und eines Filtergleichrichters 26, die in F i g. 1 in Blockform gezeigt sind. Das Trennkopplungsglied 24 besteht im wesentlichen aus einem einen Eisenkern aufweisenden abgeschirmten Transformator mit Mittelanzapfung, der für einen hohen Grad von gleichstrommäßiger Isolierung zwischen dem Datensignalempfangsteil und der Wandlerschaltung sorgt Wie im Schaltbild gezeigt wird, ist die Primärwicklung durch das Bezugspotential 76 der Wandlerschaltung abgeschirmt, und die Sekundärwicklung ist über die Kopplungskondensatoren Cl, CI... CN durch das schwimmende Verstärkerbezugspotential 74 abgeschirmt Eine dritte Zwischenabschirmung ist über die Leitung 71 mit der Abschirmung 39 des Ausgangskabels (Fig. 1) verbunden, welche vorzugsweise mit dem Bezugspotential 75 der Last verbunden ist

Die in der Sekundärwicklung des Transformators induzierte Wechselspannung wird durch den aus den Dioden 82,83,84,85 bestehenden Vollwellengleichrichter gleichgerichtet und durch ein ,RC-Filter gefiltert, we'ches aus Serienwiderständen 86,87,90 und 91, einem Querwiderstand 92 und Querkondensatoren 88 und 89 besteht, welche parallel zu der Sekundärwicklung der. Transformators liegen. Ein rechteckiger Wechselstromimpuls am Ausgang des Modulators 22 induziert daher einen Wechselstromimpuls in der Sekundärwicklung, der gleichgerichtet wird und eine positive Spannung an die Basis des npn-Transislors 51' und eine negative Spannung an die Basis des pnp-Transistors 51 gibt, wodurch beide Transistoren gleichzeitig in einen leitenden Zustand übergehen. Wegen ihrer Inverterschaltungsweise gehen die Transistoren stark in Sättigung über und bieten praktisch keinen Widerstand zwischen den Widerständen R 1' und R 1.

Es wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Betriebsweise der beschriebenen Wandlerschaltung erläutert. Die Binärdateneingänge 1, 2, ... N werden vom Datenoszillator 21 durch die Modulatoren 22 und durch die Trennkopplungsglieder 24 zu den Filtergleichrichtern 26 getastet. Die Filtergleichrichter 26 spannen die jeweils zueinander komplementären Transistorschaller 51,51' SN, SN' mit einer Gleichspannung

vor. Wie im Zusammenhang mit F i g. 3 beschrieben wurde, besteht das Trennkopplungsglied 24 vorzugsweise aus einem Transformator mit Mittelanzapfung, und der Filtergleichrichter 26 besteht aus einem üblichen Vollwellengleichrichter und einem Filter. Die Polarität der Gleichrichterdioden 82 bis 85 ist so gewählt, daß der durch einen npn-Transistor gebildete Schalter Si' ein, an seiner Basis eine positive Spannung empfängt. Zur selben Zeit empfängt der durch einen pnp-Transistor gebildete Schalter 51 an seiner Basis eine negative Spannung. Beide Transistoren werden daher gleichzeitig geschaltet und bilden eine leitende Verbindung zwischen den Widerständen RI und RV und der symmetrischen Differenzverstärkerschaltung.

Dieser Vorgang ereignet sich in jedem Eingangskanal, in dem das binäre Eingangssignal eine »1« ist. In den Eingangskanälen, in denen das Eingangssignal auf »0« bleibt, werden die zugehörigen Transistorschalter nicht betätigt, so daß die zugehörigen Widerstände Riund Ri' keinen Strom zu den Summieranschlüssen liefern können. Wenn z. B. an den Eingangsanschlüssen 1 und N »!«-Bits erhalten werden, nicht aber am Anschluß 2 und den übrigen Anschlüssen, werden die Widerstandspaare Ri +Ri' und RN+ RN über die Leitungen 72 und 73 jeweils parallel zu den invertierenden Eingangsanschlüssen der Verstärker 30 und 32 gelegt, und jedes Widerstandspaar liefert an die Eingangsanschlüsse der Verstärker 30 und 32 einen Strom, der gleich ist dem "Verhältnis der Bezugsspannung V_tb— Vn zu der Widerstandssumme Al+ Al' und RN+RN'. Wie bereits erwähnt, bilden die Widerstände R 1 und R 1' bzw. RN und RN' jeder Schalterstufe einzelne Reihenverbindungen zwischen den invertierenden Anschlüssen der Verstärker 30 und 32.

Die mit den einzelnen Schalterstufen verbundenen Querkondensatoren Cl, CZ ... CN verhindern, daß irgendwelche restlichen Hochfrequenzströme über die Trennkopplungsglieder zu den Verstärkern fließen. Ein solcher Strom würde als Gleichtaktstrom zwischen den abgeglichenen Widerständen erscheinen, und die Verstärker wurden einen solchen Strom aufgrund seiner hohen Frequenzjiicht sperren. Die Querkondensatoren Cl, C2... CNleiten den Strom über die Leitung 74 und die symmetrsichen Querkondensatoren 21 und 23 zum

Ausgang des Verstärker, wo er durch das Symmetrierglied 36 gesperrt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Werte der Querkondensatoren C1,... CN umgekehrt proportional zu den Werten der

symmetrischen Widerstände Ri +Rt' RN+ RN'.

Die potentialmäßig schwimmende Bezugsspannungsquelle 14 liefert an ihren Anschlüssen 16 und 17 den Bezugsanschlüssen (nichtinvertierenden Anschlüssen) der Verstärker 30 und 32 Bezugsspannungen ungefähr gleichen Wertes aber entgegengesetzten Vorzeichens. Im Ruhezustand, d. h. wenn keine der Schalterstufen aktiviert ist, wird ebenfalls ein Vorspannstromweg gebildet, der vom positiven Anschluß 15 der Bezugsspannungsquelle 14 über den Vorwiderstand Ra und den Rückkopplungswiderstand Rf zum Ausgang 31 des Verstärkers 30 führt; ferner wird in symmetrischer Weise ein Vorspannstromweg gebildet, der vom negativen Anschluß 18 der Bezugsspannungsquelle 14 über den Vorwiderstand Raa und den Rückkopplungswiderstand Rff zum Ausgang 33 des Verstärkers 32 führt. Der Gesamtstrom an den Summieranschlüssen der Verstärker 30 und 32 ist natürlich idealerweise null. Die Ausgangsspannung V31 — V33, die an der Last 40 liegt, kann auf null eingestellt werden, wenn keine Schalter betötigt sind, indem die Werte der Widerstände Ra, Raa, Rfuna Rff geeignet gewählt werden und die

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25 Spannungen V15 bis ßis durch entsprechende Einstellung der Potentiometer 58 und 61 geeignet eingestellt werden. Es kann jedoch auch die Ausgangsspannüng Vm- V33 irgendeiner von null verschiedenen Spannung gleichgemacht werden, und zwar dann, wenn unter der Steuerung mittels der Dateneingangssignale eine Ausgangsspannung beider Polaritäten erwünscht ist.

Es sei nun angenommen, daß an den Anschlüssen 1 und /V eine binäre »1« empfangen worden ist und daß die allen anderen Eingangsanschlüssen zugeordneten Transistorschalter ausgeschaltet sind. Es werden dann die zugehörigen Schalterstufen aktiviert, und die Widerstände R 1 und RNwerden an den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 32 angeschaltet. In ähnlicher Weise werden die Widerstände R Γ und RN' an den invertierenden Eingangsanschluß des Verstärkers 30 angeschaltet. Dadurch wird mittels der Widerstände R 1 und R V und RN und RN'ein Paar von Parallelzweigen zwischen den invertierenden Eingangsänschlüssen der Verstärker gebildet. Die an der Last liegende Spannung V31—V33 ist näherungsweise durch die folgende Gleichung gegeben, bei der Fehlerterme vernachlässigt werden und die Summierung nur für diejenigen Eingänge / durchgeführt wird, die sich im »!«-Zustand befinden:

(2)

Insgesamt gesehen erhält man also durch die Erfindung einen Digital-Analog-Wandler, der in großem Maße gegenüber Störsignalen, welche außerhalb oder innerhalb des Wandlers erzeugt werden, isoliert ist Die Doppelverstärkeranordnung ergibt ein analoges Ausgangssignal mit einem großen Gleichtaktunterdrükkungsverhaltung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Frequenzen und bei Gleichstrom. Die Hauptquellen der Gleichtaktspannung sind die verschiedenen Trennkopplungsglieder und das externe Bezugspotential 75. Eine Einwirkung dieser Spannungen auf die an der Last liegende Differenztaktausgangsspannung wird durch die vorliegende Erfindung vermieden. Es kann daher entweder die positive oder die negative Seite der Last an ein externes Bezugspotential gelegt werden, ohne daß die an der Last liegende Differenztaktspannung irgendwie berührt würde.

Die Trennung von der Stromversorgung und von den Eingangsdatensignalen wird mit Hilfe der Trennkopplungsglieder 7 und 24 erreicht Dabei werden Transformatoren mit Eisenkern bevorzugt, die sowohl praktikabler als auch weniger aufwendig sind als andere Arten von Trennkoppiungsgliedern, die an sich auch benutzt werden könnten.

Die Trennkopplungsglieder sind jedoch nur teilweise wirksam. Zum Beispiel vermögen sie nicht zu verhindern, daß über die Streukapazitäten und die Kapazitäten der verschiedenen Transformatoren Gegentaktspannungen von der externen Last zur Wandlerschaltung und durch diese hindurch übertragen werden. Bei einer praktischen Ausführung befindet sich die Last an einem von der Wandlerschaltung entfernten Ort, und ihr Bezugspotential ,kann beträchtlich von dem der Eingangsdatensignale und der Stromquelle differieren. Der aufgrund dieses Unterschiedes an der Last erzeugte Strom bildet eine Schleife, deren Kapazitäten sich innerhalb der Wandlerschaltung befinden, und kann eine beträchtliche Gegentaktspannung am Ausgang der Wandlerschaltung zur Folge haben.

Zusätzlich zu der von der externen Last erzeugten Gegentaktspannung können Störsignale innerhalb der Wandlerschaltung selbst erzeugt werden, die von den Trennkoppiungsgliedern nicht eliminiert werden. Diese Störsignale werden von den restlichen hochfrequenten Signalen hervorgerufen, die an der Stromquelle 6, dem Datenoszillator 21 und den Dateneingängen erzeugt werden. Sie erscheinen auch differentiell zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen als Gegentaktsignal.

Die Auswirkung dieser unerwünschten Störsignale, welche durch die Trennkopplungsglieder nicht vom Ausgang der Wandlerschaltung ferngehalten werden, wird durch die symmetrische Differenzverstärkeranordnung praktisch eliminiert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Isolierter Digital-Analog-Wandler zum Umwandeln von an mehreren Digitaleingangsanschlüssen empfangenen Digitaldaten in ein analoges Ausgangssignal, mit einer Wechselstromdaten abtrennenden Schaltung von Trennkopplungsgliedern zum Einkoppeln der digitalen Eingangssignale in den Wandler, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erster und ein zweiter Differenzverstärker (30 bzw. 32) mit je einem Summiereingangsanschluß, einem Bezugseingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß in symmetrischer Differenzschaltung angeordnet sind, über deren Ausgangsanschlüssen ein Analogsignal verfügbar ist,
daß mehrere Schalterstufen vorgesehen sind, die je über die Schaltung von Trennkopplungsgliedern (24) mit einem zugeordneten Digitaleingangsanschluß gekoppelt sind, je ein symmetrisches Paar Transistorschalter (Si, Si,... S/v, Sn) und ein symmetrisches Paar Widerstände (R\, Ry... Rn, Rn) aufweisen und je in Abhängigkeit vom Digitalsignal am je zugeordneten Digitaleingangsanschluß (1 ... N) zwischen die Summiereingangsanschlüsse des ersten und des zweiten Differenzverstärkers (30 bzw. 32) geschaltet werden.

daß eine Ausgangslast (40) mit einem ersten Anschluß und einem Bezugsanschluß (75) vorgesehen ist,

und daß zwischen die Ausgangsanschlüsse der beiden Verstärker (30, 32) und den ersten Anschluß und den Bezugsanschluß (75) der Ausgangslast (40) ein Hochfrequenz-Sperrglied (36) geschaltet ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenz-Sperrglied (36) ein Symmetrieglied ist und daß jedes der Trennkopplungsglieder (24) einen Eisenkerntransformator aufweist, der durch eine Abscnirmeinrichtung gegen Gleichtaktsignale abgeschirmt wird, die vom Bezugsanschluß (76) der Wandlerschaltung oder dem Bezugsanschluß (75) der Ausgangslast (40) ausgehen.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandwert der symmetrischen Widerstände (Ru Ry ... Rn, Rn) in jeder Schalterstufe mit dem Widerstandswert der symmetrischen Widerstände in der vorhergehenden Schalterstufe in der Beziehung eines Gliedes einer geometrischen Reihe steht.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Differenzverstärker aus einem Operationsverstärker (30, 32) besteht, dessen Ausgangsanschluß (31 bzw. 33) durch ein Rückkopplungsglied (Rf, Rff) zum Summiereingangsanschluß rückgekoppelt ist, und daß die Summiereingangsanschlüsse und die symmetrischen Widerstände (R_u Ry... R_n, Rn), welche zwischen die Summiereingangsanschlüsse geschaltet sind, durch eine Vorspannungsquelle gespeist werden.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsquelle eine Stromversorgungsquelle (6), eine Bezugsspannungsquelle zum Erzeugen der Vorspannung und ein Wechselstrom abtrennendes Trennkopplungsglied (7) aufweist, welches die Stromversorgungsquelle (6) mit der Bezugsspannungsquelle (14) koppelt.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensatoren (10, 11, 21, 23)

zwischen aas Trennkopplungsglied (7) und das Hochfrequenzsperrglied (36) geschaltet sind, um an dem Trennkopplungsglied (7) erzeugte Hochfrequenzströme an den Differenzverstärkern (30, 32) vorbeizuleiten.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorschalter (Si, Si·... S_n, Sn) komplementäre Transistoren sind und in invertierender Betriebsbauweise zwischen den Widerstandspaaren gesteuert werden, so daß sie die symmetrischen Widerstandspaare mit gleichen und symmetrischen Impedanzen steuern.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensatoren (21, 23) zwischen die Kollektoren der Transistoren (Su Sy... Sn, Sn) und das Hochfrequenz-Sperrglied (36) geschaltet sind, um an den Trennkopplungsgliedern (24) der Dateneingangskanäle erzeugte hochfrequente Ströme um die Differenzverstärker (30, 32) herumzuleiten.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Widerstände (Ru Ry ... R_n, Rn) einer Schalterstufe bei im Einschaltzustand befindlichen Transistoren (Si, S\... S.-j, Sn) dieser Schalterstufe in Reihenschaltung zwischen den Summieranschlüssen der Verstärker (30,32) und in Parallelschaltung zu anderen digitalen Einga^gsanschlüssen zugeordneten in gleicher Weise geschalteten Widerstandspaaren liegen.