DE3445202A1 - Method and arrangement for analog/digital conversion - Google Patents
Method and arrangement for analog/digital conversionInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Anordnung zur Analog/Digital-UmsetzungProcedure and arrangement for analog / digital conversion
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und vorteilhafte Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of the claim 1 and advantageous arrangements for carrying out the method.
Das Aufkommen von neuen., monolithisch integrierten Mikrowellenschaltkreisen (MMICs), insbesondere von digitalen Schaltkreisen (Gigabit-Logik) in GaAs-FET-Technologie (vgl. J. Siegl: Monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen. Elektronik, Nr. 18, 1984, S. 80-85), für die Anwendung weit im GHz-Bereich bedingt entsprechend schnelle A/D-Umsetzer zur Digitalisierung der GHz-Signale.The advent of new, monolithically integrated microwave circuits (MMICs), especially of digital circuits (gigabit logic) in GaAs-FET technology (cf. J. Siegl: Monolithic Integrated Microwave Circuits. Electronics, No. 18, 1984, pp. 80-85), conditionally accordingly for use far in the GHz range fast A / D converter for digitizing the GHz signals.
Vor allem für die digitale Signalverarbeitung auf dem Gebiet des Satellitenfunks, des Satellitenfernsehens, des Raumfahrtfunks, des Richtfunks, der Radartechnik sowie für digitale Hochfrequenzempfänger werden solche schnellen A/D-Umsetzer gefordert. Doch sind die bisher bestehenden A/D-Umsetzer und bekannten Verfahren in den meisten Nnwendungsfällen überhaupt nicht in der.Lage, diese Anforderungen der digitalen Signalverarbeitung im GHz-Bereich zu erfüllen.Especially for digital signal processing in the field of satellite radio, satellite television, space radio, radio relay, radar technology and Such fast A / D converters are required for digital high-frequency receivers. But are the ones that have existed so far A / D converter and known methods in most cases not at all able to meet these requirements of digital signal processing in the GHz range.
Schnelle A/D-Umsetzer, sowohl in monolithischen als auch diskret/hybriden Aufbau, sind heute nur in bipolarer und unipolarer Silizium-Technologie erhältlich. Hierbei kristalliert sich eine Trennung bezüglich des Auflösungsvermögens (Wortlänge) und der Geschwindigkeit (Abtastfrequenz) heraus. Die monolithischen ADUs, so z, B. der 8 bit/100 MHz ADU: CX20i16 (vgl. Datenblatt zum 8 bit / 100 MHz - A/D-Umsetzer, Bezeichnung: CX20116, Sony (JP), 1984), werden iii tloii Iiiicl.rtcri Jihi-cii illl unteren Auflösungsbereich bis zu 10 bit Wortlänge den Markt beherrschen. Aus der Literatur (vgl.. M. Zimmer: Ein Beitrag zu Analog/Digital-Umsetzern für digitale Hochfrequenzempfänger und ihrer technischen Realisierbarkeit. Dissertation am Institut für Elektronik, Ruhr-Universität Bochum, 1983) geht hervor, daß durch die Verwendung anderer Technologien oder Prinzipien (GaAs-RETs, Josephson-Übergänge, optische Modulatoren, Codierröhren usw.) sehr schnelle Umsetzer bis in den unteren GHz-Bereich realisiert wurden bzw. werden.Fast A / D converters, both monolithic and discrete / hybrid Construction, are only available today in bipolar and unipolar silicon technology. A separation in terms of resolution (word length) emerges here. and the speed (sampling frequency). The monolithic ADUs, e.g. B. the 8 bit / 100 MHz ADC: CX20i16 (see data sheet for the 8 bit / 100 MHz - A / D converter, Designation: CX20116, Sony (JP), 1984), will iii tloii Iiiicl.rtcri Jihi-cii illl lower resolution range up to 10 bit word length dominate the market. From the Literature (cf. M. Zimmer: A contribution to analog / digital converters for digital High frequency receivers and their technical feasibility. Dissertation at the institute für Elektronik, Ruhr-Universität Bochum, 1983) shows that by using other technologies or principles (GaAs RETs, Josephson junctions, optical modulators, Coding tubes, etc.) implemented very fast converters down to the lower GHz range were or will be.
Doch weisen alle zur Zeit käuflichen A/D-Umsetzer den wesentlichen Nachteil auf, daß sie für die Mikrowellen-Digitalisierung viel zu langsam sind. Die gegenwärtigen Grenzen für ihre Abtast- bzw. Umsetzungsfrequenzen bei einer Wortlänge N 4 8 bit liegen zwischen 100 MHz und 200 MHz. Die wenigen, aus der Literatur bekannten, schnelleren ADUs sind noch im Forschungs- bzw. Entwicklungsstadium und deshalb nicht käuflich erhältlich. Außerdem haftet diesen schnelleren ADUs, mit Ausnahme der optischen Uns et zungsver fahrtn die noch noc.h vollständig tändig im Forschungsstadium sind, ein grundsätzlich durch die direkten Umsetzungsverfahren bedingter Nachteil an: Hierbei wird die Umsetzungsgeschwindigkeit maßgeblich durch den Frequenzvervielfachungseffekt in den einzelnen aktivell ADU-Komponent en begrenzt, der aus der Quantisierung an teilperiodischen, sägezahnförmigen oder rampenförmigen Übertragungskennlinien (binärcodierte ADUs bzw.But all A / D converters currently available for sale have the essentials The disadvantage is that they are much too slow for microwave digitization. The current limits on their sampling or conversion frequencies at a word length N 4 8 bits are between 100 MHz and 200 MHz. The few known from literature faster ADCs are still in the research or development stage and therefore not available for purchase. In addition, these faster ADUs, with the exception of the optical Us e procedures that are still completely in the research stage, a disadvantage caused by the direct implementation process: The speed of implementation is largely due to the frequency multiplication effect limited in the individual active ADC components that result from the quantization semi-periodic, sawtooth-shaped or ramp-shaped transfer characteristics (binary-coded ADUs or
Falt-ADUs) folgt. Durch die ca. 2N Perioden dieser Quanti-5 ierungskennlinien wird die Bandbreite BS eines bandbemaximal eine Bandbreite BU # 2N.BS mit N = ADU-Wortlänge in bit (1) U für ADU-Vollaussteuerung vergrößert. Nun werden heute bei Si-Bipolar-Transistoren Transitfrequenzen von ca. 10 GHz erreicht. In einem groben Rechenbeispiel nach obiger Gleichung (1) für einen bekannten ADU mit der Wortlänge N = 8 bit und solchen Transistoren ergibt sich für ein Ei,ngangssignal x(t), das noch einigermaßen fehlerfrei von dem ADU umgesetzt werden kann, eine Bandbreite BS s50 MHz.Fold ADUs) follows. Due to the approx. 2N periods of these quantification characteristics the bandwidth BS of a band is a maximum bandwidth BU # 2N.BS with N = ADU word length in bit (1) U for full ADU control. Now today at Si bipolar transistors Transit frequencies of approx. 10 GHz reached. In a rough calculation example according to the above Equation (1) for a known ADC with the word length N = 8 bits and such transistors results for an input signal x (t) that is still fairly error-free from the ADU can be implemented, a bandwidth BS s50 MHz.
Dagegen darf die Abtastfrequenz eines derartigen ADUs wesentlich höher als 2.BS = 100 MHz sein. Doch bringt dies für die Quantisierungsgenauigkeit kei.nen Vorteil.In contrast, the sampling frequency of such an ADC may be significantly higher as 2.BS = 100 MHz. But this has no effect on the quantization accuracy Advantage.
Um die extremen Bandbreitenanforderungen, die bei der Mikrowellen-Digitalisierung an die einzelnen ADU-Komponenten der direkten Verfahren einschließlich der "Flash-Converter" zu stellen sind, weitgehend zu vermeiden, müssen vom Prinzip her andersartige Verfahren gesucht werden.To meet the extreme bandwidth requirements of microwave digitization to the individual ADU components of the direct process including the "flash converter" are to be provided, largely to be avoided, must in principle different procedures to be searched for.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und Anordnungen zur Analog/Digital-Umsetzung im Mikrowellenbereich anzugeben, die mit nach dem 5 Stand der Technik für eine Massenproduktion verfügbaren Mitteln realisierbar sind.The object of the invention is therefore to provide a method and arrangements for analog / digital conversion in To indicate the microwave range realizable with the means available for mass production according to the state of the art are.
Die Lösung der Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 bzw.The solution to the problem is given in claims 1 and
5 gekennzeichnet. Die weiteren Ansprüche beinhalten bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.5 marked. The further claims contain preferred embodiments the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich nicht nur durch Abtastfrequenzen bzw. Umsetzungsraten weit im GHz-Bereich aus, sondern ist auch in integrierter Mikrowellenschaltkreistechnik (MMICs) als monolithisch integrierter Schaltkreis (Einchipsysteme), vorzugsweise in GaAs-FET-Technologie, realisierbar. Außerdem besitzt es gegenüber den meisten herkömmlichen Verfahren noch weitere technische Vorteile. So eignet es sich infolge seiner hohen Abtastfrequenzen ( > 1 GHz) besonders gut für interpolative ADUs, die durch Signalüberabtastung und digitale Filterung nach der Quantisierung eine dynamische Auflösungssteigerung ermöglichen. Auch die parallele Wortausgabe direkt im Dual-Code oder Gray-Code, die sich sehr einfach aus der Struktur der parallelen Umsetzungskanäle ergibt, ist für die extrem schnelle digitale Signalverarbeitung sehr vorteilhaft.The method according to the invention is not only characterized by sampling frequencies or conversion rates far in the GHz range, but is also in integrated microwave circuit technology (MMICs) as monolithic integrated circuits (single chip systems), preferably in GaAs-FET technology, realizable. Plus, it owns over most conventional processes still have further technical advantages. So it is suitable as a result its high sampling frequencies (> 1 GHz) particularly good for interpolative ADCs, those by signal oversampling and digital filtering after quantization enable dynamic increase in resolution. Also the parallel word output directly in dual code or gray code, which is very simply derived from the structure of the parallel Conversion channels results is for extremely fast digital signal processing very advantageous.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the figures.
FIG. 1 zeigt im Prinzipschaltbild eine bevorzugte Anordnung gemäß der Erfindung FIG. 2 zeigt eine erste Variante der bevorzugteii erfindungsgemäßen Anordnung FIG. 3 zeigt die Beziehung ausgewählter Phasensignale in der Anordnung nach FIG. 2 zu den Wertigkeiten. des Dual-Codes FIG. 4 und 5 dienen zur Erläuterung der FIG. 2 FIG. 6 zeigt eine zweite Variante der bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung FIG. 7 und 8 dienen zur Erläuterung der FIG. 6 FIG. 9 und 10 zeigen eine dritte und vierte Variante der bevorzugten erfindungsgemäßen An.ordnung.FIG. 1 shows in the basic circuit diagram a preferred arrangement according to of the invention FIG. 2 shows a first variant of the preferred embodiment according to the invention arrangement FIG. 3 shows the relationship of selected phase signals in the arrangement according to FIG. 2 to the valences. of the dual code FIG. 4 and 5 serve to explain FIG. 2 FIG. 6 shows a second variant of the preferred according to the invention Arrangement FIG. 7 and 8 serve to explain FIG. 6 FIG. 9 and 10 show one third and fourth variant of the preferred arrangement according to the invention.
Zunächst wird jedoch auf die theoretischen Grundlagen eingegangen.First, however, the theoretical basics will be discussed.
Grundsätzlich kann jede A/D-Umsetzung im mathematischen Sinn durch ganzzahlige Divisionen x z = int q (2) q vollständig beschrieben werden, wobei x die analoge Eingangsgröße und z das Ausgangswort bilden. Die Abkürzung "int" stellt hierbei den Rundungs- bzw. Abbruchoperator für die ganzzahlige Darstellung des Codewortes z dar. Der Divisor q, der identisch mit der ADU-Auflösung q=Ao . 2-N (3) ist, errechnet sich hierbei aus dem ADU-Aussteuerbereich Ao = |Axmax} und der ADU-Wortlänge N in bit.In principle, any A / D conversion can be carried out in a mathematical sense integer divisions x z = int q (2) q can be fully described, where x the analog input variable and z form the output word. The abbreviation "int" represents here the rounding or termination operator for the integer representation of the code word z. The divisor q, which is identical to the ADC resolution q = Ao. 2-N (3) is calculated consists of the ADC modulation range Ao = | Axmax} and the ADC word length N in bit.
Anstatt diese Division nach G1. (2), wie bisher allgemein üblich, mit Hilfe von nichtlinearen Übertragungskennlinien der entsprechenden ADU-Komponenten (Komparatoren, Analogschaltern, Faltverstärkern usw.) vorzunehmen, werden gemäß der Erfindung die Umsetzungsdivisionen unter Ausnutzung der Periodizitäten (Parameterdivisionen) von periodischen HF-Hilfssignalen mit n = 0,1,2,.. .N-i (4) ausgeführt. Dazu ist die Periodendauer T und die Periodenzahl des Signales s(t) bezüglich eines definierten Anfangzeitpunktes t mit der Periodennummer n0 = 0 festzu-0 legen. Auch sollten zur einfachen technischen Anwendung die Hilfsfunktionen g(t) innerhalb der Periodendauer T bzw. der Frequenz f = 1/T, außer an der Stelle ihrer 0 Scheitelwerte, stetig und monoton sein. Deshalb sind besonders sinusförmige, rechteckförmige und rampenförmige periodische Funktionen g(t) für s(t) zu empfehlen.Instead of this division according to eq. (2), as previously common practice, with the help of non-linear transfer characteristics of the corresponding ADC components (comparators, analog switches, folding amplifiers, etc.), according to the invention the conversion divisions are made using the periodicities (parameter divisions) of periodic HF auxiliary signals with n = 0,1,2, ... Ni (4). For this purpose, the period T and the number of periods of the signal s (t) with respect to a defined starting time t with the period number n0 = 0 are to be set. For simple technical application, the auxiliary functions g (t) should also be continuous and monotonic within the period T or the frequency f = 1 / T, except at the point of their 0 peak values. Therefore, sinusoidal, rectangular and ramp-shaped periodic functions g (t) for s (t) are particularly recommended.
Damit wird zur Bestimmung des ADU-Codewortes z die Gl. (2) durch die Gleichung zur Bestimmung der Periodenzahlen - jeweils ausgeführt zu den definierten Zeitpunkten ti -ersetzt. Um nun die Periodenzahlen n. in ein lineares Verhältnis zu den Momentanwerten x des analogen Eingangssignales x(t) zu stellen, wird G1. (5) in die ganzzahlige Division m = Konstante (6) zur A/D-Umsetzung von x(t) übergeführt. Hierbei ist die Zeitvariable t der G1. (5) durch das Produkt mwx zu ersetzen. Dies geschieht technisch durch eine Zeitmodulation des Hilfssignales s(t), Gl. (4), mit dem Eingangssignal x(t). Damit läßt sich die A/D-Umsetzung mit der Gleichung zi int(Qmx(t)) (7) und dem Modulationsvorgang Q}} x(t) beschreiben. Der Quotient Q = m/T stellt hierbei den konstanten Modulationskoeffizienten dar.In order to determine the ADC code word z, Eq. (2) by the equation for determining the number of periods - executed at the defined times ti - replaced. In order to now set the number of periods n. In a linear relationship to the instantaneous values x of the analog input signal x (t), G1. (5) into the whole number division m = constant (6) converted to A / D conversion of x (t). Here the time variable t is G1. (5) to be replaced by the product mwx. Technically, this is done by time modulating the auxiliary signal s (t), Eq. (4), with the input signal x (t). The A / D conversion can thus be described with the equation zi int (Qmx (t)) (7) and the modulation process Q}} x (t). The quotient Q = m / T represents the constant modulation coefficient.
Zur technischen Realisierung des Verfahrens für die Bestimmung des
Codewortes zK aus der Anzahl nK der Synchronperioden T nach Gln. (5), (6) und (7)
ist beson.ders das parallele Verfahren nach FIG. 1 mit K.= 1,2,...N parallelen Umsetzungskanälen
geeignet, das die zyklische Natur bestimmter Codes, so z. B. des Dual-Codes
ausnützt. Der Gray-Code ist gleichermaßen geeignet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
werden hier aber die Betrachtungen nur für den Dual-Code ausgeführt. Wird für jede
Dualbitstelle DK in paralleler Schaltungsanordnung jeweils ein unabhängiger Umsetzungskanal
K gebildet und hierbei der jeweilige Modulationskoeffizient nach der Stellenwertigkeit
des Dual-Codes in dem Umsetzungskanal K gewichtet: = m 2K-N (9), so vereinfacht
sich das Aus zählen der Synchronperioden T zur Kohärenz-Detektion des momentanen
Signalphasenmusters
in den Umsetzungskanälen K zu den definierten
Abfragezeitpunkten ti (synchrone Phasenmusterdetektion). Werden nun unter der Voraussetzung
der Dualcodestruktur, G1. (8), symmetrische Halbwellen der Hilfssignale s(t) bzw.
sK(t) gemäß Gl. (4) verwendet, so haben die Kohärenz-Detektoren bei dieser bevorzugten
erfindungsgemäßen Anordnung nur die Aufgabe auszuführen, die Modulationen nach Gln.
(6) und (7) auf geraden bzw. ungeraden Zahlencharakter
Für die technische Realisierung ist noch von besonderer Bedeutung die Darstellung der Modulationskoeffizienten der Gl. (7) bzw. QK der G1. (9). Die Umsetzungsgleichung (6) läßt sich hinsichtlich des Modulationsverhaltens erweitern auf durch Einfügen von Signaldämpfungskoeffizienten aK im Quotientenzähler und von Frequenzteilerkoeffizienten bK im Quotientennenner.The representation of the modulation coefficients of Eq. (7) or QC of G1. (9). The conversion equation (6) can be extended with regard to the modulation behavior to by inserting signal attenuation coefficients aK in the quotient counter and frequency divider coefficients bK in the quotient separator.
Setzt man den jeweils anderen Koeffizientensatz gleich 1, so ergeben sich aus den Gleichungen (3), (9) bis (11) für die Hilfskoeffizienten aK und b K folgende Bestimmungsgleichungen: Die Modulationskoeffizienten können also auf zwei verschiedene Arten (aK = 1 oder bK = 1) dargestellt werden. Dies bedingt für die technische Realisierung der bevorzugten erfindungsgemäßen Anordnung zwei Hauptvarianten: den phasengestaffelten ADU und den frequenzgestaffelten ADU. An den folgenden technischen Ausführungsbeispielen wird dieser Sachverhalt noch näher erläutert.If the other set of coefficients is set equal to 1, the following equations result from equations (3), (9) to (11) for the auxiliary coefficients aK and b K: The modulation coefficients can therefore be represented in two different ways (aK = 1 or bK = 1). This requires two main variants for the technical implementation of the preferred arrangement according to the invention: the phase-staggered ADC and the frequency-staggered ADC. This fact is explained in more detail in the following technical exemplary embodiments.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nach Gln. (10) bis (15) auf einem indirekten Parallelverfahren mit periodischen HF-Hilfssignalen 5K (t) und im Dual-Code d bzw. im Gray-Code g gewichteten und unabhängigen Umsetzungskanälen K beruht, sind in FIG. 1 in einem Prinzipschaltbild zusammengefaßt.Preferred embodiments of the invention, which according to Eqs. (10) to (15) on an indirect parallel method with periodic HF auxiliary signals 5K (t) and in the dual code d or in the Gray code g weighted and independent conversion channels K are shown in FIG. 1 summarized in a block diagram.
Hierbei liefert ein Hochfrequenzgenerator sein Hilfssignal s(t) bzw. t(t) parallel an eine Zeit-Koeffizienten-Bank mit Frequenzteiler-Koeffizienten bK, K = 0,1,2,...N.A high-frequency generator supplies its auxiliary signal s (t) or t (t) parallel to a time coefficient bank with frequency divider coefficients bK, K = 0,1,2, ... N.
Ebenfalls parallel wird das analoge Eingangssignal x(t) an eine Signal-Koeffizienten-Bank, bestehend aus einzelnen Dämpfungskoeffizienten aK, gelegt. Diese Koeffizienten aK bzw. bK stellen die Hilfskoeffizienten, Gln. (13) und (14), zur Zeitmodulation der einzelnen Signale sK(t) bzw.The analog input signal x (t) is also sent in parallel to a signal coefficient bank, consisting of individual damping coefficients aK. These coefficients aK and bK represent the auxiliary coefficients, Eqs. (13) and (14), for the time modulation of the individual signals sK (t) or
VK(t) mit den Signalen xK(t) in den jeweiligen Umsetzungskanälen K dar. Hierbei legen die Koeffizienten aK, bK durch ihre Werte, die nach den Wertigkeiten des Dual-Codes bzw. des Gray-Codes bezüglich des.jeweiligen Umsetzungskanales K ausgerichtet sind, die richtige, bitgewichtete Aussteuerung der Modulatoren ZMK einer Zeit-Modulatoren-Bank fest. Mit den Zeit-Modulatoren ZMK werden nun proportional zum Momentanpegel von xK(t) die Zeitparameter t bzw. die Phasenparameter f der Hilfssignale flK(t) verändert (moduliert) und ergeben somit die zeitmodulierten Signale fK(x,t). Zur parallelen Bitmustergewinnung für das K Digitalwort z ist jetzt nur noch das synchrone Momentanzeit- bzw. Momentanphasenmuster der von den Modulatoren ZMK gelieferten Signale fK(x,t), entsprechend G1. (12) auf den Umsetzungskanälen K zu detektieren. Dies geschieht im wesentlichen an einer Bank von Kohärenz-Detektoren KDK.VK (t) with the signals xK (t) in the respective conversion channels K Here, the coefficients aK, bK indicate by their values that according to the valences the dual code or the gray code with respect to the respective conversion channel K the correct, bit-weighted modulation of the modulators ZMK a time modulator bank. With the time modulators ZMK are now proportional the time parameters t or the phase parameters f of the auxiliary signals for the instantaneous level of xK (t) flK (t) changes (modulates) and thus results in the time-modulated signals fK (x, t). All that remains for the parallel bit pattern extraction for the K digital word z is that synchronous instantaneous time or instantaneous phase patterns of the ones supplied by the modulators ZMK Signals fK (x, t), according to Eq. (12) on the conversion channels K to be detected. This essentially takes place on a bank of coherence detectors KDK.
Zum Zeit- bzw. Phasenvergleich erhalten diese Detektoren KDK ein vom HF-Generator über den Koeffizienten b und 0 Modulator ZM abgeleitetes Bezugssignal fo(x,t). Zur 0 zeitlichen Pufferung und takt synchronen Ausgabe der Bits ZK bzw. D K am Systemausgang im Dual-Code d oder im Gray-Code g ist den Kohärenz-Detektoren noch ein Ausgaberegister, das vorzugsweise aus Master-Slave- oder flankengetriggerten D-Flip-Flops FFK besteht, nachgeschaltet. Als Taktsignal (t) für die Register FFK dient das durch eine Verzögerung C verzögerte Bezugssignal fo(x,t).For time or phase comparison, these detectors KDK receive a from HF generator reference signal derived from the coefficients b and 0 modulator ZM fo (x, t). For 0 time buffering and clock-synchronized output of the bits ZK resp. D K at the system output in dual code d or in Gray code g is the coherence detectors Another output register, which is preferably made up of master-slave or edge-triggered D flip-flops FFK is connected downstream. As a clock signal (t) for the registers FFK the reference signal fo (x, t) delayed by a delay C is used.
Anhand von vier typischen Ausführungsbeipielen, jeweils auf eine 4 bit A/D-Umsetzung und auf eine Codierung nur im Dual-Code bezogen, werden die wichtigsten ADU-Varianten, die für die technische Realisierung von besonderer Bedeutung sind, anschließend n.äher erläutert.On the basis of four typical implementation examples, each on a 4 bit A / D conversion and based on coding only in dual code are the most important ADU variants that are of particular importance for the technical implementation, subsequently explained in more detail.
1. Ausführungsbeispiel: Phasengestaffelter ADU Mit dieser Variante, dargestellt in FIG. 2, die als Hilfssignal s(t) ein vom HF-Generator geliefertes sinusförmiges Dauersignal 9(t) mit der Frequenz f(t) = f = const.1st embodiment: Phased ADC With this variant, shown in FIG. 2, which is supplied by the HF generator as an auxiliary signal s (t) sinusoidal continuous signal 9 (t) with the frequency f (t) = f = const.
0 verwendet, sind A/D-Umsetzungsfrequenzen f = f weit im u 0 GHz-Bereich erreichbar. Es werden bestimmte, ausgewählte Momentanphasen #K(x,ti) zu den einzelnen Dual-Code-Stellen DK der Umsetzungskanäle K derart in Bezug gesetzt, daß sie von den Kohärenz-Detektoren KDK als Bitmuster im Dual-Code erkannt werden. 0 is used, A / D conversion frequencies f = f are far in the u 0 GHz range accessible. There are certain, selected instantaneous phases #K (x, ti) for the individual Dual code digits DK of the conversion channels K related in such a way that they are from the coherence detectors KDK are recognized as a bit pattern in the dual code.
Die Erzeugung der vier verschiedenen Phasensignale ÇK(X,t) erfolgt hierbei nach FIG. 2 an vier identischen Phasen-oder Frequenzmodulatoren PM1 bis PM4, wobei das sinusförmige Dauersignal f(t) durch die Kanalsignale xK (t) getrennt für jeden Umsetzungskanal K in der Phase oder Frequenz moduliert wird und damit die Phasensignale WK(x,t) auf den Kanälen ergeben. Hierbei werden die Kanalsignale xK (t) aus dem Eingangssignal x(t) abgeleitet, indem x(t) für xK(t) durch die Dämpfungskoeffizienten. al bis a 4 entsprechend der Wertigkeit des Umsetzungskanales K jeweils im Pegel verringert wird. Demzufolge ist hier ein Vorverstärker für das Eingangssignal mit einem Verstärkungsfaktor V=8 (2 ) vorzusehen. Die Koeffizienten bK sind sämtlich gleich eins gewählt.The four different phase signals ÇK (X, t) are generated here according to FIG. 2 on four identical phase or frequency modulators PM1 bis PM4, the sinusoidal continuous signal f (t) separated by the channel signals xK (t) for each conversion channel K is modulated in phase or frequency and thus result in the phase signals WK (x, t) on the channels. Here are the channel signals xK (t) derived from the input signal x (t) by dividing x (t) for xK (t) by the damping coefficient. al to a 4 according to the value of the conversion channel K in each case in level is decreased. As a result, there is a preamplifier for the input signal to provide a gain factor V = 8 (2). The coefficients bK are all chosen one.
In FIG. 3A) ist dargestellt, welche Amplitudenwerte die Momentanphasen PK in den vier Umsetzungskanälen der FIG. 2 zu den Abtastzeitpunkten t annehmen, in Abhängigkeit vom Wert des analogen Eingangssignals x(ti). A ist der Aus-0 steuerbereich des ADU, vgl. Gl. (3), S ist die Maximal-0 amplitude des HF-Hilfssignals.In FIG. 3A) shows which amplitude values the instantaneous phases PK in the four conversion channels of FIG. Assume 2 at the sampling times t, depending on the value of the analog input signal x (ti). A is the off-0 control area of the ADU, see Eq. (3), S is the maximum 0 amplitude of the RF auxiliary signal.
FIG. 3B) zeigt den Zusammenhang zum Dual-Code D. Die Figur ist folgendermaßen zu lesen: wenn die Momentanamplituden in FIG. 3A) im schraffierten Bereich liegen, nehmen die in FIG. 3B) senkrecht darunter aufzusuchenden schraffierten Bitstellen den Wert "1" an.FIG. 3B) shows the relationship to the dual code D. The figure is as follows to read: if the instantaneous amplitudes in FIG. 3A) are in the hatched area, take the in FIG. 3B) hatched bit positions to be found vertically underneath the value "1".
Die hierbei notwendigen Modulationskennlinien der Phasen-bzw. Frequenzmodulatoren PMl bis PM4 werden in FIG. 4 für den phasengestaffelten 4 bit ADU aufgezeigt. Damit werden den vier gleichartigen Modulatoren bei dieser Variante dualgestufte Aussteuerbereiche zugeordnet. Folglich gelten für den maximalen Phasenhub der Modulatoren im Kanal 1 fl,f1 = 2t, im Kanal 2 auf2 = 4n , im Kanal 3 93 = 8t und im Kanal 4 Af4 = 16t. Das Aussteuerverhältnis von 1:2:4:8 in den vier Umsetzungskanälen entsteht in einfacher Weise durch die Pegelwichtungen mit den Dämpfungskoeffizienten a1 bis a4 nach FIG. 2. Erfolgt anstelle der Codierung im Dual-Code eine Codierung im Gray-Code, so sind die obigen maximalen Phasenhübe der Modulatoren zu halbieren, aber zusätzlich unterschiedliche Anfangsphasenlagen für die Phasensignale fK(x,t) einzubringen.The necessary modulation characteristics of the phase or. Frequency modulators PM1 to PM4 are shown in FIG. 4 shown for the phased 4 bit ADC. In order to With this variant, the four modulators of the same type have dual-level control ranges assigned. Consequently, the maximum phase deviation of the modulators in the channel applies 1 fl, f1 = 2t, in channel 2 to 2 = 4n, in channel 3 93 = 8t and in channel 4 Af4 = 16t. The control ratio of 1: 2: 4: 8 in the four conversion channels is created in a simple way Way by the level weightings with the damping coefficients a1 to a4 according to FIG. 2. If coding in Gray code is used instead of coding in dual code, then halving the above maximum phase excursions of the modulators, but also different ones Introduce initial phase positions for the phase signals fK (x, t).
Allgemein können für alle erfindungsgemäßen ADU-Varianten die Phasen-, Frequenz-, Taktphasen- und Laufzeitmodulatoren (siehe weiter unten) mit steuerbaren Impedanzelementen, steuerbaren aktiven Filternetzwerken oder durch Schaltungen der Impuls technik realisiert werden. So kommen, im besonderen für Abtastfrequenzen im GHz-Bereich, als steuerbare kapazitive Impedanzelemente Kapazitätsdioden, als steuerbare induktive Impedanzelemente YIG-Filter oder spezielle Hochfrequenz-Leitungen mit steuerbaren Ferrit- oder piezoelektrischen Komponenten in Frage.In general, the phase, Frequency, clock phase and delay modulators (see below) with controllable Impedance elements, controllable active filter networks or by Circuits the impulse technology can be realized. So come, especially for sampling frequencies in the GHz range, as controllable capacitive impedance elements, capacitance diodes, as controllable inductive impedance elements YIG filters or special high-frequency lines with controllable ferrite or piezoelectric components in question.
Die Kohärenz-Detektoren KDK, die die Summationssignale v (x), vgl. FIG. 2, durch Komparatoren KK oder Schwellwertelemente auf Phasenkohärenz abfragen, können im einfachsten Fall durch entsprechend vorgespannte Halbleiterdioden realisiert werden. Das für die Kohärenz-Detektoren benötigte Bezugsphasensignal #o (t) wird hierbei durch ein Phasendrehglied PG6 mit konstanter Phasendrehung aus dem HF-Generatorsignal f(t) erzeugt. Als Phasendrehglieder kommen allgemein passive oder aktive elektrische Netzwerke oder HF-Leitungen in Frage.The coherence detectors KDK, the summation signals v (x), cf. FIG. 2, query phase coherence using comparators KK or threshold value elements, can be implemented in the simplest case by appropriately biased semiconductor diodes will. The reference phase signal #o (t) required for the coherence detectors becomes here by a phase shifter PG6 with constant phase shift from the HF generator signal f (t) is generated. The phase shift elements used are generally passive or active electrical ones Networks or RF lines in question.
FIG. 5 erläutert den Vorgang der Kohärenzdetektion in der Anordnung nach FIG. 2. Das Bezugsphasensignal fo(t), es ist in durchgezogener Linie gezeichnet, hat die Maximalamplitude So . Auf diesen Wert ist der Schwellwert q an den 0 Komparatoren KK nach FIG. 2 festgelegt. Die Phasensignale fK(x,t) haben ebenfalls Maximalamplitude SO, sind aber entsprechend der gewichteten Modulation an den Zeitmodulatoren gegenüber dem Bezugsphasensignal in der Phase verschoben. In FIG. 5 sind in unterbrochenen Linien mehrere Summationssignale YK = #o + <PK dargestellt, und zwar für um ,900, 0°, 900, 1800 phasenverschobene Signale Das Das Summationssignal YK liegt zum Abfragezeitpunkt (mit dem Takt i(T)) entweder unter oder über der Schwelle q, und entsprechend liegt am Ausgang der Kohärenzdetektoren der Bitwert ZK bei "0" oder "1".FIG. 5 explains the process of coherence detection in the arrangement according to FIG. 2. The reference phase signal fo (t), it is drawn in a solid line, has the maximum amplitude So. The threshold value q at the 0 comparators is at this value KK according to FIG. 2 established. The phase signals fK (x, t) also have maximum amplitude SO, but are opposite to the time modulators according to the weighted modulation shifted in phase with the reference phase signal. In FIG. 5 are in interrupted Lines showing several summation signals YK = #o + <PK, namely for um, 900, 0 °, 900, 1800 phase-shifted signals The summation signal YK is present at the time of the query (with the clock i (T)) either below or above the threshold q, and lies accordingly the bit value ZK at "0" or "1" at the output of the coherence detectors.
Die Ausgabe der digitalen Komparatorsignale zK, die am Systemausgang als Digitalwort z im Dual-Code d zusammengefaßt werden, erfolgt bei allen beschriebenen Versionen der Erfindung durch Master-Slave- oder flankengetriggerte D-Flip-Flops OFF . Über ein zweites Phasendrehglied PG5 und über einen Sinus/Rechteck-Umsetzer SRU werden diese Flip-Flops FFK mit dem Takt i(T) versorgt, der aus dem Bezugsphasensignal fo(t) abgeleitet wird.The output of the digital comparator signals zK at the system output are summarized as a digital word z in the dual code d, takes place in all of the described Master-slave or edge triggered D flip-flops versions of the invention OFF. Via a second phase shifter PG5 and a sine / square converter SRU, these flip-flops FFK are supplied with the clock i (T), which is derived from the reference phase signal fo (t) is derived.
2. Ausführungsbeispiel: Frequenzgestaffelter ADU Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in FIG. 6 dargestellt. Im Gegensatz zum phasengestaffelten ADU dienen hier zur Bitmusterdetektion nicht die Phasensignale fK(x,t) auf den Umsetzungskanälen * K, sondern Frequenzphasensignale (t), die mit dual K abgestuften Frequenzverhältnissen zur HF-Generatorfrequenz f(t) = f vorliegen. Doch ist sonst der Umsetzungsvorgang 0 mit Hilfe eines sinusförmigen Dauersignales +(t) von konstanter Frequenz f gleich mit dem beschriebenen Um-0 setzungsablauf des phasengestaffelten ADUs. Damit gilt FIG. 3 auch für diese ADU-Variante.2nd embodiment: frequency-graded ADC A second embodiment the arrangement according to the invention is shown in FIG. 6 shown. In contrast to the phased ADC are not used here for bit pattern detection, the phase signals fK (x, t) on the conversion channels * K, but frequency phase signals (t) that have dual K graded frequency ratios for the HF generator frequency f (t) = f. But otherwise is the implementation process 0 with the help of a sinusoidal continuous signal + (t) of constant frequency f equal with the described implementation process of the phased ADC. So that applies FIG. 3 also for this ADU variant.
Zur technischen Realisierung ergeben sich einige wichtige Unterschiede. Die vier Signaldämpfungsglieder mit den Koeffizienten al bis a4 entfallen, dafür sind vier verschiedene dual abgestufte Frequenzteiler mit den Koeffizienten b bis b4 (Frequenzverhältnisse: 1:1, 1:2, 1:4, 1:8) für die Frequenzphasensignale 9K(t) in die Kanäle einzufügen. Auch ist die Zeit-Modulatoren-Bank, die im ersten Ausführungsbeispiel aus vier gleichen Phasen- bzw.There are some important differences to the technical implementation. The four signal attenuators with the coefficients a1 to a4 are omitted, instead are four different dual graded frequency dividers with the coefficients b to b4 (frequency ratios: 1: 1, 1: 2, 1: 4, 1: 8) for the frequency phase signals 9K (t) to be inserted into the channels. The time modulator bank is also the same as in the first exemplary embodiment from four identical phase resp.
Frequenzmodulatoren bestand, durch vier identische Phasendrehglieder PG1 bis PG4 von konstantem Phasendrehwinkel zu ersetzen. Ebenso muß das Phasendrehglied PG6 des phasengestaffelten ADUs gegen einen einzigen Phasen- oder Frequenzmodulator PM ausgetauscht werden. Die übrigen Komponenten bleiben im System gleich mit der ersten Version.Frequency modulators consisted of four identical phase rotators PG1 to PG4 of constant phase rotation angle to replace. as well the phasing element PG6 of the phased ADC against a single phase or frequency modulator PM can be exchanged. The other components remain in the System same with the first version.
Bei geringem Aufwand von nur einem einzigen Zeit-Modulator PM und nicht notwendigem Verstärker (V=1) für das Eingangssignal x(t), besitzt diese Variante jedoch die Einschränkung, daß nur eine Abtast- bzw. Umsetzungsfrequenz = = b1 fO, itn Fall einer 4 bit Umsetzung fu = 1/8 f0, ereichbar ist. Hierbei bestimmt der MSB-Umsetzungskanal mit der niedrigsten Frequenz im System die höchst mögliche Abtastfrequenz. Doch sind bei der Wahl einer geeignet hohen Frequenz f des HF-Generators und bei ADU-Wortlängen 0 N 4 6 bit noch Abtastfrequenzen fA i 1 GHz für diese Version möglich.With little effort from just a single time modulator PM and This variant has an amplifier (V = 1) that is not necessary for the input signal x (t) however, the restriction that only one sampling or conversion frequency = = b1 fO, in the case of a 4-bit conversion fu = 1/8 f0, is achievable. Here the determines MSB conversion channel with the lowest frequency in the system the highest possible sampling frequency. However, when choosing a suitably high frequency f of the HF generator and at ADC word lengths 0 N 4 6 bit, sampling frequencies fA i 1 GHz are possible for this version.
3. Ausführungsbeispiel: Laufzeitgestaffelter Puls-ADU Ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in FIG. 9 dargestellt. Werden bei den Versionen des phasengestaffelten ADUs oder des frequenzgestaffelten ADUs periodische, rechteckförmige Hilfssignale g(t) anstatt der sinusförmigen Dauersignale +(t) verwendet, so sind diese "Puls-ADUs" mit Mitteln der Impulstechnik und der neuen integrierten Mikrowellenschaltkreistechnik besonders aufwandsgünstig zu realisieren. Bei dem laufzeitgestaffelten 4 bit Puls-ADU nach FIG. 9 werden deshalb periodische, rechteckförmige Pulssignale T(t) mit einem Verhältnis der Impulsdauer zur Impulspause von 1:1 angewandt.3rd embodiment example: staggered runtime pulse ADC A third Embodiment of the arrangement according to the invention is shown in FIG. 9 shown. Will with the versions of the phase-staggered ADC or the frequency-staggered ADC periodic, square-wave auxiliary signals g (t) instead of the sinusoidal continuous signals + (t) are used, these are "pulse ADCs" with the means of pulse technology and the to implement new integrated microwave circuit technology in a particularly cost-effective manner. In the case of the delayed 4-bit pulse ADU according to FIG. 9 are therefore periodic, Square-wave pulse signals T (t) with a ratio of the pulse duration to the interpulse period applied at a rate of 1: 1.
Diese Pulsfolgen 'C(t) werden aus den sinusförmigen Signalen g(t) des HF-Generators mittels eines Sinus/Rechteck-Umsetzers SRU erzeugt. Die Bits für das Digitalwort z im Dual-Code werden aus dem entsprechend erzeugten Taktphasenmuster der Taktphasensignale (x,t) auf den vier Umsetzungskanälen gewonnen. Hierbei geschieht die Bildung der vier Taktphasensignale CK(x,t) durch vier Laufzeit-K modulatoren LZMK, die das Taktsignal t(t) proportional zu den Pegeln der steuernden Kanalsignale xK(t) bezüglich ihrer Signallaufzeiten durch die Modulatoren LZMK verändern. Für die Signaldämpfungskoeffizienten al bis a4 und für die Aussteuerung der Laufzeitmodulatoren LZMK gilt das gleiche, wie für den phasengestaffelten ADU anhand der FIG. 2 und 4 beschrieben wurde. FIG. 7 zeigt ausgewählte Momentantaktphasen, analog zu FIG. 3.These pulse trains' C (t) are derived from the sinusoidal signals g (t) of the HF generator is generated by means of a sine / square-wave converter SRU. The bits for the digital word z in the dual code are derived from the correspondingly generated clock phase pattern of the clock phase signals (x, t) obtained on the four conversion channels. This is what happens the formation of the four clock phase signals CK (x, t) by four delay K modulators LZMK, which make the clock signal t (t) proportional to the levels of the controlling channel signals xK (t) change with regard to their signal transit times through the modulators LZMK. For the signal attenuation coefficients a1 to a4 and for the modulation of the transit time modulators LZMK, the same applies as for the phased ADC based on FIG. 2 and 4 has been described. FIG. 7 shows selected instantaneous clock phases, analogous to FIG. 3.
Doch vereinfacht sich hier die Kohärenz-Detektion der einzelnen Taktphasensignale ZK(x,t) erheblich. Die digitalen Kohärenz-Detektoren Ul bis U4 sind nur durch einfache logische UND-Verknüpfungen für die Puls signale r (x,t) und die Bezugspulsfolge T (t) auszuführen. FIG. 8 0 zeigt, analog zu FIG. 5, Beispiele für gegen die Bezugspulsfolge um -T/4 bzw. +T/4 verschobene Taktphasensignale.However, the coherence detection of the individual clock phase signals is simplified here ZK (x, t) considerable. The digital coherence detectors U1 to U4 are only simple logical AND links for the pulse signals r (x, t) and the reference pulse train T (t) to be carried out. FIG. 8 0 shows, analogously to FIG. 5, examples of against the reference pulse train clock phase signals shifted by -T / 4 or + T / 4.
Für die digitale Ausgabe z der Detektionsergebnisse zK wird wieder das weiter oben aufgeführte Register mit den Flip-Flops FF K vorgeschlagen. Hierbei sind die Phasendrehglieder Po5,6 durch Laufzeitglieder LG5/6 zu ersetzen.For the digital output z of the detection results zK is again the register listed above with the flip-flops FF K is proposed. Here the phase shift elements Po5,6 are to be replaced by delay elements LG5 / 6.
4. Ausführungsbeispiel: Frequenzgestaffelter Puls-ADU Diese ADU-Variante mit rechteckförmigen Pulsfolgen t(t), als Hilfssignal s(t) für die A/D-Umsetzung, stellt die technische Analogie zum Verfahren des frequenzgestaffelten ADUs dar. Somit gelten auch die gleichen Verfahrensweisen, nur mit dem Unterschied, daß sie hier auf rechteckförmigen Pulsfolgen mit dem Pulsdauer/Pulspausenverhältnis von 1:1 anzuwenden sind. 4th embodiment: Frequency-graded pulse ADC This ADU variant with rectangular pulse trains t (t), as an auxiliary signal s (t) for the A / D conversion, provides the technical analogy to the procedure of the frequency-staggered ADCs. Thus, the same procedures apply, only with the difference that that they are based on rectangular pulse trains with the pulse duration / pulse pause ratio of 1: 1 are to be applied.
Das Ausführungsbeispiel ist in FIG. 10 dargestellt. Gegenüber der ADU-Version des phasengestaffelten Puls-ADUs nach FIG. 9 entfallen hier die Dämpfungskoeffizienten al bis a 4 für die Kanalsignale xl(t) bis x4(t). Dafür sind neu in die vier Leitungen der Taktphasensignale tK(t) die Frequenzteiler mit den dual abgestuften Koeffizienten bl bis b4 einzufügen. Außerdem sind die vier Laufzeitmodulatoren LZM1 bis LZM4 durch vier konstante Laufzeitglieder LG1 bis LG4 sowie das Laufzeitglied LG6 des phasengestaffelten Puls-ADUs durch einen einzigen Laufzeitmodulator LZM zu ersetzen.The embodiment is shown in FIG. 10 shown. Compared to the ADC version of the phased pulse ADC according to FIG. 9 the damping coefficients are omitted here al to a 4 for the channel signals xl (t) to x4 (t). Therefor are new in the four lines of the clock phase signals tK (t) the frequency divider with the dual graded coefficients insert bl to b4. In addition, the four delay modulators LZM1 to LZM4 are through four constant delay elements LG1 to LG4 and the delay element LG6 of the phased one Replace pulse ADUs with a single transit time modulator LZM.
Für die technische Realisierung der einzelnen ADU-Komponenten, HF-Signalgenerator, Sinus/Rechteck-Umsetzer SRU, Taktfrequenzteiler (Koeffizienten bK), Lauf zeitglieder LGK, Laufzeitmodulator LZM, digitale Kohärenz-Detektoren mit den UND-Gattern U1 bis U4 und dem Ausgabe-Register gelten die gleichen Bedingungen und Prinzipien wie bei dem beschriebenen phasengestaffelten Puls-ADU des 3. Ausführungsbeispiels. So unterliegt auch diese ADU-Variante der gleichen Einschränkung bezüglich der höchstmöglichen Abtastfrequenz A = b1 fO, f , wie sie für die Variante des frequenzgestaffelten ADUs nach dem 2. Ausführungsbeispiel gilt. Die höchstmögliche Abtast- bzw. Umsetzungsfrequenz wird hier durch die niedrigste Kanalsignal-Impulswiederholfrequenz des MSB-Umsetzungskanals (Frequen,zteilerkoeffizient bl) bestimmt. Anwendungsmöglichkeiten für Signalüberabtastungen Diese ADU-Versionen sind besonders vorteilhaft in interpolativen ADU-Systemen zur dynamischen Erhöhung der ADU-Auflösungen und Umsetzungsgenauigkeiten einzusetzen, Unter der Voraussetzung einer entsprechend hohen Signalüberabtastung mit einem Überabtastungsfaktor K durch einen ADU von geringerer Wortlänge von N bit und einer nachfola genden digitalen Filterung und einer Abtastratenreduktion um den Faktor K ist daraus eine vergrößerte ADU-Wortlänge von Nb bit>Na bit bezüglich des innneren ADUs zu gewinnen. Eine genauere Beschreibung dieses Verfahrens ist der DE-OS 32 12 103 zu entnehmen.For the technical implementation of the individual ADC components, RF signal generator, Sine / square converter SRU, clock frequency divider (coefficients bK), timing elements LGK, transit time modulator LZM, digital coherence detectors with AND gates U1 to U4 and the output register, the same conditions and principles apply as in the described phase-staggered pulse ADC of the 3rd embodiment. So this ADU variant is also subject to the same restriction with regard to the highest possible Sampling frequency A = b1 fO, f, as for the variant of the frequency graded ADUs according to the 2nd embodiment applies. The highest possible sampling or conversion frequency is here by the lowest channel signal pulse repetition frequency of the MSB conversion channel (Frequen, dividing coefficient bl) determined. Possible applications for signal oversampling These ADC versions are particularly advantageous in interpolative ADU systems for dynamically increasing the ADU resolutions and conversion accuracy to be used, provided that the signal oversampling is correspondingly high with an oversampling factor K by an ADC with a smaller word length of N. bit and a subsequent digital filtering and sampling rate reduction by the factor K, this results in an enlarged ADC word length of Nb bit> Na bit with respect to of the inner ADU to win. A more detailed description of this procedure is given can be found in DE-OS 32 12 103.
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