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Die vorliegende Patentanmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf elektronische
Analog-Digitalumsetzer.
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Bei den meisten bekannten Analog-Digitalumsetzern wird die Umsetzung einer
analogen elektrischen Spannung m eine digitale Ausgangsdarstellung auf eine
konsekutive Weise durchgefuhrt. Ein solcher 5-Bit-Umsetzer wird in DE 24 14 865 A1
beschrieben. Bei der Bestimmung des Wertes eines einzelnen Bits wird durch einen, d.
h. einen von fünf vorhandenen, seitens der logischen Stufe diesem Bit zugeordneten
gesteuerten Verstärker eine diesem Bit zugehörige Spannung an einen der Eingänge
eines Komparators zugeleitet, an dessen zweiten Eingang die umzuwandelnde
Spannung zugeleitet wird. Die Bitwerte werden durch die logische Stufe bestimmt. Das
Bestimmungsverfahren fängt bei dem höchstwertigen Bit an und wird schrittweise bis
zum niederwertigsten Bit fortgesetzt.
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Weiterhin ist aus DE 38 29 730 A1 ein Analog-Digital-Folge-Umsetzer bekannt, bei
welchem der Eingang für analoge Spannung und der Ausgang eines Digital-
Analogumsetzers an einen invertierenden Eingang eines Komparators angeschlossen
sind, dessen Eingang an Masse angeschlossen ist und dessen Ausgang an den
Eingang eines Registers angeschlossen ist. Der Registerausgang ist durch eine
Sammelschiene an den Eingang des genannten Digital-Analogumsetzers angeschlossen.
Der beschriebene Umsetzer ermöglicht eine sehr schnelle Annäherung der
tatsächlichen digitalen Darstellung an die Eingangsspannung.
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Elektronische Analog-Digital-Folge-Umsetzer benotigen eine bestimmte Zeit, daß
die Quantisierung der Eingangsspannung nach sämtlichen Bits der digitalen
Ausgangs-Darstellung durchgeführt wird. Darum ist eine Umsetzung schnell
variierender Signale nicht durchführbar. Darüber hinaus sind wegen ungleichzeitiger
Erscheinungen digitaler Ausgangssignale Latchschaltungen nötig, wodurch solche
Umsetzer komplizierter werden.
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Zur Durchführung der gesamten Umsetzung benötigen parallele elektronische
Analog-Digital-Folge-Umsetzer nur einen Schritt und deswegen ist die
Quantisierungszeit kürzer. So ist ein Analog-Digital-Blitz-Umsetzer bekannt. In dem N-Bit-
Analog-Digital-Blitz-Umsetzer wird die Eingangsspannung an erste 2N - 1
Komparatoren gespeist, deren andere Eingänge an Ausgänge eines aus genau so vielen
Widerständen zusammengesetzten Spannungsteilers angeschlossen sind, um 2N - 1
Quantisierungs-Spannungsniveaus zu erhalten. Der Ausgang jedes einzelnen
Komparators ist über seine eigene Latchschaltung - alle Latchschaltungen sind an
einen gemeinsamen Taktgeber angeschlossen - an einen entsprechenden Eingang
einer Kodiereinrichtung angeschlossen, an deren Ausgang die digitale Darstellung
der Eingangsspannung erscheint. Für hohe N ist die Schaltung des Blitz-Umsetzers
ziemlich groß und deswegen wird die obere Betriebsfrequenzgrenze durch die
Laufzeit des Signals im Umsetzer gesetzt.
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Analog-Digitalumsetzer, die auf einem der vorliegenden Erfindung ähnlichen
Grundprinzip basieren, sind in US-A-3 577 139 und FR-A-1 550 362 beschrieben.
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Der vorangehenden Betrachtung des Standes der Technik zufolge ist die Aufgabe
der Erfindung, einen elektronischen Analog-Digitalumsetzer zu schaffen, der eine
Hochbit-Umsetzung schnell varuerender analoger Eingangsspannungen
ermöglichen wird, wobei die Umsetzung in einem Schritt und ohne Abtastung
durchgeführt werden soll.
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Mit der genannten Aufgabe vor Augen ist der erfindungsgemäße elektronische
Analog-Digitalumsetzer durch Merkmale der Kennzeichen der Patentansprüche 1 und 2
gekennzeichnet.
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Der erfindungsgemäße elektronische Analog-Digitalumsetzer ist vorteilhafterweise
aus einer geringen Zahl der Bauteile zusammengesetzt und doch ermöglicht er eine
Umsetzung analoger Hochfrequenz-Eingangsspannungen in ihre digitale Hochbit-
Darstellung.
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Andere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden
detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den
zugehörigen Zeichnungen ersichtlich. Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 einen elektronischen N-Bit-Analog-Digitalumsetzer nach der Erfindung und
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Fig. 2a-e Graphen der Zeitverläufe der analogen Eingangsspannung, des
Absolutwertes der Spannung am Eingang der Quantisierungsstufen 1 und 2
sowie der Spannungen am Ausgang des Operationsverstärkers, am
Komparatorausgang und am Ausgang der genannten zwei Stufen.
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Eine Schaltung des elektronischen N-Bit-Analog-Digitalumsetzers nach der
Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Umsetzer ist zur Umsetzung analoger
Spannungssignale V0 mit einer Amplitude innerhalb des Spannungsintervalls (-Uo, +Uo)
entworfen worden.
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In der Polaritäts-Quantisierungsstufe ist der Umsetzereingang i an den
nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 05 angeschlossen, dessen invertierender
Eingang an Masse angeschlossen ist. Der Ausgang des Komparators 05 ist an den
Ausgang o0 für das Polaritätsbit angeschlossen, das die Polarität der analogen
Eingangsspannung V0 bestimmt.
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Quantisierungsstufen 1, ..., N zur Bestimmung der Werte einzelner Bits sind
identisch. In jeder Quantisierungsstufe 1, ..., N ist der invertierende Eingang eines
Operationsverstärkers 14, ..., N4, dessen nichtinvertierender Eingang an Masse
angeschlossen ist, durch einen Widerstand 12,..., N2 an den Ausgang eines
Vollwegpräzisionsgleichrichters 11, ..., N1 und durch einen Widerstand 131, ..., N31 an den
Gleitkontakt eines Potentiometers 132, ..., N32 angeschlossen. Der erste feste
Kontakt des Potentiometers ist an Masse angeschlossen, während sein anderer Kontakt
an eine Spannungsquelle U1, ..., UN angeschlossen ist. Der invertierende Eingang
des Operationsverstärkers 14, ..., N4 ist weiterhin durch einen Widerstand 141, ...,
N41 an den Ausgang des Operationsveratärkers und an den nichtinvertierenden
Eingang des Komparators 15, ..., N5 angeschlossen, während sein Eingang an Masse
angeschlossen ist. Der Ausgang dieses Komparator ist an den ersten Eingang eines
Antivalenzgliedes 16, ..., N6 angeschlossen, dessen Ausgang an den Ausgang o1,
...,oN des zugehörigen Bits angeschlossen ist. Die Polaritätsquantisierungsstufen und
andere Quantisierungsstufen sind so untereinander verbunden, daß der Eingang des
Gleichrichters 11 der Quantisierungsstufe 1 an den Umsetzereingang i angeschlossen
ist, in irgendwelcher anderen Stufe 2, ..., N jedoch der Eingang des Gleichrichters 21,
..., N1 an den Ausgang des Operationsverstärkers 14, 24, ..., (N-1)4 in der
vorangeschalteten Quantisierungsstufe angeschlossen ist, und daß der zweite Eingang des
Antivalenzgliedes 16, 26, ..., N6 an den Umsetzerausgang o0, o1, ..., o(N-1) der
vorangehenden
Quantisierungsstufe angeschlossen ist.
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Der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 14, ..., N4 ist gleich 2. Die
Potentiometer 132, 232, ..., N32 sind so eingestellt, daß ihr Gleitkontakt an eine
Spannung -Uo/2 gebracht wird. Die Einstellung dieser Spannungen in dem
erfindungsgemäßen Umsetzer beginnt beim Potentiometer 132 in der ersten
Quantisierungsstufe 1. Die Spannung an seinem Gleitkontakt darf um eine
Offset-Verschiebung des Operationsverstärkers 14 von der idealen, oben festgestellten Spannung
abweichen und auch die Abweichung seines Verstärkungsfaktors kann berücksichtigt
wird. Stufenweise wird der ganze Umsetzer eingestellt.
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Der erfindungsgemaße elektronische Analog-Digitalumsetzer funktioniert
folgendermaßen. Die Variationen der analogen Eingagsspannung V0, die sich mit der Zeit
innerhalb der Grenzen -Uo und +Uo ändert, Uo ist z.B. gleich 10 V, und an den
Umsetzereingang i gespeist wird, spiegeln sich mit geringen Zeitverzögerungen in
den Spannungen V1, V2, ..., VN am Ausgang des Operationsverstärkers in jeder
Quantisierungsstufe 1, 2, ..., N wider. Deswegen treten diese Zeitverzögerungen in
Bezug zur analogen Eingangsspannung V0, deren Zeitverlauf in Fig. 2a gezeigt wird,
in Fig. 2b, 2c, 2d und 2e nicht in Erscheinung. An den Ausgängen der
Vollwegpräzisionsgleichrichter 11, 21, ..., N1 erscheinen die Spannungen V0 ,
V1 , ..., V(N-1) (Fig. 2b), die den Absolutwerten der Spannungen V0, V1, ...,
V(N-1) gleich sind. Sobald die analoge Eingangsspannung V0 keinen konstanten
Wert hat, haben die Spannungen Vi von einer bestimmten Stufe an einen
gebrochenen Zeitverlauf und die Zahl der Nulldurchgänge der Spannungen V1, V2, ...
am Ausgang der Operationsverstärker 14, 24, ... wird von einer Stufe zur nächsten
verdoppelt (Fig. 2c). Die Nulldurchgänge der Spannungen V1, V2, ..., VN werden
durch Spannungsimpulse V1', V2', ..., VN' am Ausgang der Komparatoren 15, 25, ...,
N5 (Fig. 2d) dargestellt. Am Ausgang der Antivalenzglieder 16, 26, ..., N6 erscheinen
die Impulse Vo1, Vo2, ..., VoN (Fig. 2e), die zusammen mit dem Polaritätsbitimpuls
Vo0 die digitale N-Bit-Darstellung der analogen Eingangsspannung V0 wiedergeben.
Einer der beiden Eingänge des Antivalenzgliedes 16, 26, N6 ist an den digitalen
Ausgang o0, o1, ..., o(N-1) für das vorangehende Bit angeschlossen. An den Ausgängen
o0, o1, ..., oN erscheint die digitale Darstellung der analogen Eingangsspannung V0
nahezu im Rhythmus der Spannung V0. Die Spannung V0 wird durch einen
versetzten Binärkode dargestellt, wobei die Polarität der Eingangsspannung V0 am
Ausgang o0 zum Ausdruck kommt.
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Die digitale Darstellung der analogen Eingangsspannung variiert gleichzeitig mit
dem Variieren der analogen Eingangsspannung auch deshalb, weil in dem
erfindungsgemäßen Umsetzer kein Abtasten durchgeführt wird, was im Gegensatz zu
jedem anderen bekannten Analog-Digitalumsetzer steht.
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Die erreichbare Auflösung, d. h. die Zahl N, der digitalen Darstellung hängt
selbstverständlich von der Qualität der eingebauten elektronischen Elemente ab. In dem
Ausführungsbeispiel des Umsetzers wurde eine große Genauigkeit der digitalen
Darstellung sogar bei N ≥ 20 erreicht. Die obere Frequenzgrenze ist jedoch
grundsätzlich bloß durch die Verzögerung des Zeitverlaufes der Spannung VN in Bezug
auf den Zeitverlauf der analogen Eingangsspannung V0, also durch das Ausmaß der
Umsetzerschaltung festgelegt.
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Der erfindungsgemäße elektronische Analog-Digitalumsetzer ist vielseitig
anwendbar. Der Vorteil des Umsetzers nach der Erfindung tritt deutlich überall hervor,
wo die digitale Ausgangsdarstellung mit der Eingangsvariable schritthalten muß. Der
erfindungsgemäße Umsetzer wird daher vorteilhaft in Regelsystemen für schnell
variierende Eingangsvariablen angewendet, in Präzisionsvoltmetern, in
Speicheroszilloskopen, in Umformern zum Umformen nichtelektrischer Variablen in
elektrische Variablen und in ähnlichen Anwendungen.