NL8102226A - Digitaal analoog omzetter voor bipolaire signalen. - Google Patents

Description

/ f % PHN 10.044 1 N.V. Philips* Gloeilanpenfahrieken te Eindhoven.

Digitaal analoog qnzetter voor bipolaire signalen.

De uitvinding heeft betrekking op een digitaal analoog omzetter voor bipolaire signalen, waarbij het meest significante bit van waarde verandert bij het doorlopen van het nulnivo van het signaal, voorzien van n ingangen voer n cm te zetten bits, verder 5 van tenminste n schakelaars, die aangesloten zijn op de n ingangen en analoge referentiegroctheden schakelen, die gezamenlijk de analoge waarde bepalen, afneembaar aan een uitgang van de omzetter, en van middelen ter onderdrukking van de invloed van schakelpieken op de analoge waarde wanneer bits van waarde veranderen.

10 Een dergelijke digitaal, analoog omzetter is bekend uit het artikel van P. Maddens en M. Quintin getiteld: "Digital to analog converter for low level PCM signals" in IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 17, no. 5, October 1974, pagina 1383 en 1384. In het artikel wordt een oplossing gegeven voor het probleem van de 15 slechte signasdrniis-verhouding bij kleine signaalwaarden wanneer het nulnivo van het signaal doorlopen wordt. Hierbij schakelen alle bits en veranderen, van digitale waarde. Wanneer zoals gebruikelijk met elke bit een schakelaar verbonden is, die een analoge grootheid schakelt, zullen, dus evenvele analoge grootheden in- of uitgeschakeld 20 warden. Door ongelijke schakeltijden en traagheden ontstaan er schakelpieken qp het analoge, uitgangssignaal. De som van deze pieken vertegenwoordigt een extra signaal, dat toegevoegd wordt aan elk veranderend ingangssignaal dat nul passeert. Voor bijvoorbeeld sinusvonnige signalen, zoals audiosignalen, betekent deze bijdrage 25 een vergroting van de vervorming en een verkleining van de signaal-ruisverhouding. De bekende digitaal analoog omzetter heeft als oplossing voor het geschetste probleem het cpnemen van logische ccmblnatieschakelingen tussen de bit ingangen onderling zodat de n bitingangen omgezet worden tot n + m schakellijnen, die ieder een 30 schakel transistor bedienen voor het in- en uitschakelen van een stroom, die via een weerstandsnetwerk een analoge spanning vormt, die niet meer binair getrapt is. Hiermede is vermeden dat bet schakelen van n bits ook het schakelen van n analoge grootheden tot gevolg heeft.

8102226 HN 10.044 2 * *

Getocind wordt éen digitaal analoog omzetter -voor 3 bits. Voor meer bits wordt het aantal digitale schakelingen oneconomisch groot en dient ook een speciaal weerstandsnetwerk gebruikt te worden.

De uitvinding stelt, voor om met een gering aantal houw-5 elementen, onafhankelijk van het aantal bits en onder gebruikmaking van een conventionele binaire digitaal analoog omzetter eveneens een verbetering van de vervorming en signaalruisverhouding te verkrijgen.

Daartoe wordt van de gedachtengang uitgegaan dat zowel de vervorming als de signaalruisverhouding verbeteren als het 10 signaal zelf groter is. bij gelijkblijvende stoorsignalen, hier schakelpieken. Een digitaal analoog omzetter volgens het in de aanhef genoemde type is daartoe gekenmerkt doordat de genoemde middelen een generator bevatten, die een digitaal getal opwekt en aangesloten is tussen de genoemde ingangen en de schakelaars en daarmede 15: een digitale offset instelt.

Deze digitale offset heeft tot gevolg dat van het digitale signaal dat aangeboden wordt een bepaald digitaal getal opgeteld of afgetrokken wordt.. Dit betekent dat het midden van. het analoge bereik,, dat ingesteld· wordt met behulp, van het meest significante bit, 20 waarbij dus ook alle n bits van: waarde kunnen veranderen,, nu gelegen is bij een grotere anplitude van het aangeboden signaal.. De waarde van de digitale offset kan bijvoorbeeld 1 tot 3 % zijn,, zodat het op te wakken digitale getal gelegen- is bij het vierde bit = 16= 6 %, het vijfde, bit = 32 =· 3 % of het zesde: bit = 64 = 1,5 %r. gerekend 25 vanaf het meest significante, bit.

Daar de digitaal analoog omzetter volgens da uitvinding dus inwendig· digitaal voor ingesteld is levert de uitgang een overeenkomstig analoog signaal . Wanneer dit niet gewenst is kan aan de uitgang een tegengesteld gerichte analoge bron aangebracht worden, 30 zodat een aangeboden signaal nul ook een analoog signaal nul opwekt.

Een uitvoeringsvorm van de digitaal analoog omzetter is daartoe gekenmerkt, doordat een analoge ccnpensatiebcon gekoppeld is met de uitgang voor het compenseren van de digitale offset.

Een andere uitvoeringsvorm heeft als kenmerk, dat de 35 generator een opteller bevat, die met een aantal ingangen verbonden is met een zelfde aantal, ingangen van. de anzetter behorende bij de meest significante bits, met een ander zelfde aantal. Ingangen verbonden is met punten van potentiaal, die overeenkomen met het 81 0 2 2 2 6 .... . . . — » # ψ ΡΗΝ 10.044 3 digitale getal en die net een zelfde aantal uitgangen verbanden is met de schakelaars, die de meest significante referentiegrootheden schakelen.

Hierbij is het voordelig, dat de digitaal, analoog omzetter 5 qpgebouMd kan werden uit standaard bouwelementen* Hetgeen nodig is, dat is het toevoegen van êên of twee bouwelementen bekend en verkrijgbaar als "4-bit-full adder".

De uitvinding zal nader toegelicht worden aan de hand van de tekening, waarbij tevens een voordelige uitvoeringsvorm 10 beschreven 2al worden.

Figuur 1 illustreert de maatregel van de uitvinding, figuur 2 geeft de verbetering weer, en figuur 3 toont een uitgewarkt schema.

In figuur 1 wordt in 3 diagrammen a, b en c de uitvinding 15 toegelicht. De kolom 1 in figuur la stelt in analoge vorm het bereik voor van het bipolaire digitale ingangssignaal. Het nulpunt ligt in het midden van de schaal en komt dus overeen met de vaarde 1 voer het meest significante bit en de waarde Q voor alle andere bits. Het doorlopen van dit nulnivo betekent dus ook dat alle n-bits 20 veranderen, namelijk, het meest significante bit wordt 0 en alle andere n-1 bits worden 1. De kolom 2 in figuur 1a stelt de analoge schaal voor van de digitaal analoog omzetter. Door middel van stippellijnen 4 en £ wordt aangegeven, dat de "digitale” ingangsschaal 1 overeenkomt met de analoge uitgangsschaal 2.

25 In figuur 1b is de maatregel van de uitvinding aangebracht.

Bij de digitale waarden van kolom 1 zoals deze aangebeden worden aan de ingang wordt een digitaal getal 5 opgeteid-* Het geheel 1+5 wordt van digitaal naar analoog omgezet zoals kolom 2 weergeeft.

Het midden van de kolom 2, aangegeven met M, stelt dus nu voer het 30 punt waarin alle bits cmschakelen. Dit punt echter wordt bereikt bij een "negatieve” waarde van het ingangssignaal zoals aangegeven is met de stippellijn 6 tussen kolom 1 en kolom 2. Deze waarde kan door de keuze van getal 5 gunstig gekozen warden afhankelijk van de toepassing en van de gebruikte bouwelementen.

35 In figuur 1c wordt een digitaal getal 7 afgetrokken van het ingangssignaal volgens kolom 1. Nu ligt het midden M bij een positieve waarde van het ingangssignaal ♦ Tevens is met een kolom 3 weergegeven, dat de digitale offset 7 gecompenseerd kan worden door 8102226 ♦ v PHN 10,044 4 ' ..........een tegengesteld gerichte analoge offset. Dit. kan van belang zijn wanneer het analoge uitgangssignaal gelijkspanningsgekoppeld is met een verder, op de uitgang aan te sluiten, signaalverwerkings-apparaat, Het punt M van de schaal kan dan het oorspronkelijke nulpunt 5 zijn, dat verschoven wordt naar het punt 0 van kolan 3, De kolomen 1 en 3 van figuur 1c. geven ook. aan. dat. een deel van het bereik ter grootte van het digitale getal 7 voor de uitsturing verloren gaat.

Zoals reeds opgemerkt bedraagt dit getal slechts enkele procenten van het bereik, hetgeen voor de toepassing bijvoorbeeld op audio-10 gebied nauwelijks* van belang is voor de maximale uitsturing* m figuur 2 is schematisch oergegeven welke verbetering in de signaalruisverhouding te bereiken, is.. Langs de horizontale logaritmische as:- is: de amplitude uitgezet van een sinusvormig signaal. S, Langs, de verticale logaritmische as is de signaalruis— 15· verhouding, aangegeven.* Daar het sinusvormig signaal steeds·, nul passeert treden, de grootste, schakelpieken steeds op en dragen bij tot de ruis. Zoals aangegeven met lijn 8 zal dus de signaalruis— verhouding vanaf signaal. 0 steeds, toenemen naarmate het signaal S groter wordt. Wanneer echter het signaal bij kleine waarden, start t 20 met een veel kleinere ruis omdat de grootste bijdrage; ontbreekt kan een nivo 9 in f iguur 1 aangegeven worden: waar beneden de signaal— ruisverhouding niet kont. Bij grotere· signalen wordt de verhouding steeds gunstiger zoals lijn 10 aangeeft. Wordt echter bij signaal het nivo. bereikt waarbij alle n bits. schakelen dan daalt de 25 signaalruisverhouding tot punt 11 en bij grotere signalen wordt weer lijn 8 gevolgd,

In figuur 3; is het schema weergegeven van de digitaal analoog omzetter volgens de uitvinding. Deze bestaat uit het omzetterdeel B,. dat bijvoorbeeld beschreven wordt in het artikel 30 van H» Schmid "D/A conversion", in "Electronic Design", 22, oct.

1968, pag, 52, fig, 4 en pag. 53, fig. 6, en de generator A voor de digitale offset. Het deel B bevat de digitale ingangen tot en met Dn, die schakelaars tot en met Tn besturen. Bij gesloten schakelaars T worden binair opgedeelde weerstanden R met het 35 sóimatiepunt 12 van een versterker 13 en met een. referentievoeding + E. verbanden, De versterker 13 is tegengekoppeld net een weerstand Rf van uitgang 15 naar ingang 12, terwijl ingang 14 aan massa ligt.

De uitgangsspanning van de versterker kan ingesteld worden tussen 0 en 81 0 2.22 6 EHN 10.044 5

Ir »

R

- E.2. f/R. Is een weerstand R aangebracht tussen punt 12 en een

referentievoeding -E, dan is de uitgangsspannlng van de versterker R R

instelbaar van +E. f/R via nul. tot -E. f/R. Met de weerstand Rx kan in dit laatste geval het nulpunt aan de uitgang 15 naar 5 een negatieve waarde verschoven worden en met een weerstand Ry kan dit plaatsvinden naar een positieve waarde. Voer het geval dat het verkregen analoge signaal capacitief af te nemen is, is een condensator 16 aangebracht. Het wisselsignaal is dan af te nemen aan uitgang 17.

Het generatordeel A in figuur 3 is aangebracht tussen de 10 digitale ingangen aangegeven met 2n~1, 2n~2 tot en met 21, 2° van de digitaal analoog omzetter en de digitale ingangen tot en met van het cmzetterdeel B. Zoals uit de figuur blijkt zullen vele ingangen 2111 doorverbonden kunnen warden met de overeenkomstige ingangen Dn-m. Door het toepassen van twee "4 bit full adders" 15 PA1 en PA2 bijvoorbeeld van het type 54/7483 of 54LS/74LS83A van

Signetics kan elk getal net een 8-bits-nauwkeurigheid ingesteld worden. Veelal is deze nauwkeurigheid niet nodig en kan zelfs FA2 genist worden wanneer een getal 0001 voldoende is. Door middel van potentialen die de digitale getalwaarden 0. en 1 voorstellen kan het gewenste 20 getal ingesteld worden. Als voorbeeld is het getal 0000.0101 in de figuur aangegeven. Dit kant overeen met vrijwel 2 % van het bereik. Voor het aftrekken van een getal dient een iets ingewikkelder schema opgezet te warden. De technieken echter blijven gelijk aan die, die ook in de bouwelementen FA1 en FA2 toegepast zijn.

25 Voer de generator van het digitale getal, kunnen ook schuifregisters toegepast warden, echter men zal dan een serie-omzetter dienen toe te passen terwijl in figuur 3 een parallel onzetter beschreven is.

30 81 02 22 6 35

Claims (2)

1. •y v EHN 10.044 6 Conclusies; 1. ' Digitaal analoog omzetter voor bipolaire signalen, waarbij het meest significante bit van waarde verandert bij het doorlopen van het nulnivo van het signaal, voorzien van n ingangen voor n cm te zetten bits, verder van tenminste n schakelaars, die aangesloten zijn op de 5 n ingangen en analoge referentiegrootheden schakelen,, die gezamenlijk de analoge waarde bepalen, afneembaar aan een uitgang van de omzetter, en van middelen ter onderdrukking van de invloed, van schakelpieken pp de analoge waarde wanneer bits van waarde veranderen, met het kenmerk, dat de genoemde middelen een generator bevatten, die een digitaal getal 10 opwekt en aangesloten is tussen de genoemde ingangen en de schakelaars en daarmede een digitale offset instelt*
2. 2* Digitaal analoog omzetter volgens conclusie 1, met het ken merk, dat een analoge compensatiebron gekoppeld is met de uitgang voor het compenseren van de digitale, offset. 15' 3.. Digitaal analoog omzetter volgens* conclusie 1 of' 2, met het kenmerk, dat de generator een qpteller bevat, die met een aantal in— " gangen verbonden is meteen zelfde aantal ingangen van dè onzetter behorende bij de meest significante bits, met een ander zelfde aantal, ingangen verbonden is met punten van potentiaal, die overeenkomen met 20 het digitale getal en die met een zelfde aantal uitgangen verbonden is met de schakelaars, die de meest significante referentiegrootheden schakelen* 25 30 35 8102226