NL8202301A - Stroom analoog digitaal omzetter. - Google Patents

Description

= * ** * PHN 10.363 1 N.V. Philips1 Glceilanpenfabrieken te Eindhoven. ' "Stroom analoog digitaal omzetter".

De uitvinding heeft betrekking qp een stroom analoog digitaal omzetter bevattende n trappen, die ieder een bit leveren en die in serie geschakeld zijn, waartoe een ingang verbonden is met een uitgang van een vorige trap en waarbij in elke trap een knooppunt 5 verbonden is 1) met de ingang, 2) met een eerste diode, die anderzijds met de uitgang verbonden is, 3) met de emitter van een eerste transistor in gemeenschappelijke basisschakeling, en 4) met een referentie-strocmbron, die zo geschakeld is, dat met een ingangsstrocm aan de ingang een verschilstrocm aan het knooppunt ontstaat, waarbij de M genoemde emitter de verschilstrocm voert, indien deze stroom de ene stroomrichting heeft en waarbij de eerste diode de verschilstrocm voert, indien deze stroom de andere stroomrichting heeft.

Een dergelijke stroom analoog digitaal omzetter is bekend uit de Nederlandse octrooiaanvrage 7609608 (PHN 8501). Per trap wordt 15 een verschilstrocm bepaald tussen de ingangsstrocm van de trap en de referentiestroom. Voor de ene polariteit van deze verschilstrocm wordt deze afgevoerd naar een stroamput en kan daarbij een bitindikator-schakeling aktiveren, voor de andere polariteit wordt de verschilstroom door middel van een diodeschakeling doorgegeven aan de volgende trap, 20 die een soortgelijke bewerking uitvoert.

Voor een lineair verband tussen de te meten stroon en de bitindicatie dienen alle referentiestrcmen gelijk te zijn. De digitale aanwijzing, die verkregen wordt, leent zich uitstekend om een balk-of staafindikator te sturen. De verkregen schaal is nu in n delen opge-25 deeid en het oplossend vermogen is dus 1 op n, verkregen door n trappen toe te passen. Om een binaire digitale aanwijzing te verkrijgen dient een kodeerschakeling gebruikt te worden, die zeer kcmplex wordt naarmate n groter is.

Het is bet doel van de uitvinding om uitgaande van het 30 bekende en hierboven geschetste strocm-overloop-principe een digitale omzetting van een stroom te verkrijgen net behulp van n trappen in een binaire kode, bekend als Gray-kcde, waarbij het oplossend vermogen dus is: 1 op 2n.

8202301 2 t t

Hiertoe wordt de stroon analoog digitaal omzetter volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat een stroanspiegelschakeling verbonden is met de kollektor van de eerste transistor en met de uitgang, zodat deze uitgang een uitgangsstrocm kan voeren, die in waande vrijwel 5 gelijk is aan de koUektarstrocm van de eerste transistor en die in richting overeenstemt met de doorlaatrichting van de eerste diode.

Voordelig hierbij is, dat met enkele trappen een strocm nauwkeurig gedigitaliseerd kan worden, iedere trap zeer eenvoudig qpge-bouwd is en hierdoor een zeer snel verkende omzetter verkregen wordt.

10 Opgemerkt wordt dat strocm analoog digitaal cmzetters met n trappen voor een Gray-kode bekend zijn. Zo toont het Britse octrooi-schrift 1.266.962 een omzetter, die per binaire trap een diodebrug-gelijkrichtschakeling, een spanningsvergelijkschakeling en strocmr spanningscmzetters bevat. Deze kcmponenten maken elke trap vrij 15 gekcmpliceerd en traag. Een soortgelijke schakeling kan in het Amerikaanse octrooischrift 3.984.832 gevonden worden.

Een omzetter, die een spanning kan cmzetten in een n-bits-Gray-kode met n trappen, is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 3.587.089. Zoals reeds beschreven zijn schakelingen, waarin 20 spanningsvergelijkers voorkomen traag ten opzichte van schakelingen, waarin slechts enkele kcmponenten stromen voeren, zoals in de bekende, in de inleiding genoemde stroom analoog digitaal omzetter en in de omzetter volgens de uitvinding.

In een uitvoeringsvorm van de uitvinding wordt een als 25 zodanig bekende strocmspiegel toegepast waardoor een eenvoudige, zeer snelle trap verkregen wordt . Bovendien kan eenvoudig een bit-indikatieschakeling toegevoegd worden.

In een andere uitvoeringsvorm wordt een operationele versterker met twee terugkoppelweerstanden toegepast. Hiermede kan 30 een nauwkeurig af te regelen stroomspiegelschakeling verkregen worden. Bovendien kan de uitgang van de versterker tevens de bit-indikatie verzorgen.

Stromen van beide polariteiten kunnen met een omzetter volgens de uitvinding gemeten worden wanneer in een uitvoeringsvorm de eerste 35 trap de referentiestrocm van richting omkeerbaar is. Ifevens dient de bitindikatie hiermede gekoppeld te zijn door middel van een al of niet inschakelbare omikeerschakeling.

Het al of niet geleidend zijn van de eerste diode in elke 8202301 PHN 10.363 3 -is * t trap kan ook gemeten woeden tenbehoeve van een bitirdikatieschakeling. Dergelijke bitindikatiescbakelingen zijn bekend uit het Amerikaanse octrooischrift no. 3.735.39Q, fig. 2 en fig. 4.

De uitvinding zal toegelicht warden aan de hand van de 5 tekening, waarin figuur 1 het blokscbema geeft van één van de n trappen, figuur 2 het blokscbema zoals in fig. 1 net omgekeerde stroem- en half geleiderdoorlaatrichtingen, figuur 3 het verband tussen ingangs- en uitgangsstroem van de 10 de m trap, figuur 4 het verband tussen de ingangsstroem van een drie-trapsomzetter en de uitgangsstroan van elk van de 3 trappen, figuur 5 het blokscbema van een 5-trapsuitvoeringsvom met weerstandsstroomspiegel, en 15 figuur 6 het blokschema van een uitvoeringsvorm volgens de uitvinding met stroonspiegels en polariteitsarikering.

In fig. 1 is één trap m van de n trappen weergegeven, waarmede de stroon analoog digitaal omzetter volgens de uitvinding cpgebouwd kan warden. Aan de ingang 1 wordt de ingangsstroem 20 toegevoerd aan het knooppunt 2, waarop tevens de eerste diode 3, de emitter 4 van een transistor 5 en een referentiestroembron 6 zijn aangesloten. De basis 7 van transistor 5 is aan een referentiepoten-tiaal 8, bijvoorbeeld massa, gelegd. De diode 3 is verder nog net uitgang 9 van de trap m verbonden. Met de kollektar 10 van transistor 25 5 en met uitgang 9 is. een als blok 11 weergegeven strocmspiegelschake-ling verbonden. Deze zorgt ervoor, dat een stroom aan ingang 12 vrijwel gelijk is aan een stroom aan uitgang 13. De beschrijving van fig. 1 is ook toepasbaar op fig. 2.

In fig. 2 zijn de stroomrichtingen en de doorlaatrichtingen 30 van de halfgeleiders omgekeerd ten opzichte van het schema van fig. 1.

De transistor 5 is in fig. 1 van het npn-fcype, de ingangsstroem i^m is positief en heeft dezelfde richting, als de doorlaatrichting van diode 3, en de stroomrichting van de uitgangsstroom i0/,m-Bijgevolg levert de schakeling 11 stroem in het voorkomende geval, 35 enerzijds aan transistor 5, anderzijds aan uitgang 9. De transistor 5 in fig. 2 is van het pnp-type, de ingangsstroem i^m is negatief, dat wil zeggen de ingang 1 levert stroem. De uitgang 9 neemt de stroem \>/m °P' terwijl de schakeling 11 eveneens stroom opneerat.

8202301 PHN 10*363 4

De verking van de schema's van fig* 1 en fig, 2 lean eenvoudig met een diagram verklaard werden.

In figuur 3 is dit aangegeven. De ingangsstroam ijym kan de waarde 0 tot 2 . I/'far^ hebben* Dit hangt samen met de waarde 9 van de referentiestroem van bron 6, die voor de mde trap gelijk is aan 1/2!®"^. Deze stroom wordt in het gebied A van fig. 3 opgedeeld tussen de ingangsstroem en de emitterstroem i^^ van transistor 5. De uitgangsstroam i^m is gelijk aan i^. In het gebied B; van fig. 3 is de ingangsstroam i. , gelegen tussen de waarden 1/2111-1 en

Tjf-Ί i/m 10 2 . 1/T » De diode 3 geleidt de verschilstrocm i^ van de ingangs stroam en de referentiestroom I/f"”1. De uitgangsstroam iQ^m is gelijk aan i^g.

In fig. 4 is de grafiek weergegeven van de uitgangsstramen iQ/m van elk van 3 in serie geplaatste trappen van een analoog digitaal 15 omzetter met een cm te zetten ingangsstroem van 0 tot 21. De stroombron van de eerste trap heeft de waarde I, van de tweede trap 1/2 en van de derde trap 1/4. Wanneer gesteld wordt dat een bitindi-katieschakeling per trap een logische ”1" geeft in het gebied A van fig. 3, dus wanneer de strocmspiegelschakeling stroom levert, dan 20 geeft de arcering in fig. 4 aan vrelke bits bij welke ingangsstromen de waarde "1" hebben. Hiervoor moet een uitzondering gemaakt worden voccr de eerste trap. Bij deze bitindikatieschakeling is een ortkeer-schakeling nodig, omdat bij een ingangsstroem nul de gehele referentiestroem I door de strocmspiegelschakeling geleverd moet 25 worden, en deze stroom weer als ingangsstroem van de tweede trap fungeert, die daarmede zijn maximale stroom (2 . 1/210^) bereikt.

Dit zelfde geldt voor de daaropvolgende trappen. Overeenstemming in strocrogeleiding van eerste diode en strocmspiegelschakeling * tussen eerste trap en alle daaropvolgende kan bereikt worden door de stroomr 30 richting van ingangsstroem en referentiestroom I om te keren. Dit is met een gestippelde pijl in fig. 1 en in fig. 2 aangegeven. Daar is ook duidelijk te zien, dat deze ingangsstroem een waarde moet hebben groter dan de referentiestroem I, voor het signaleren van het meest signifikante bit want het verschil wordt dan geleverd door de stroem-35 spiegelsc±iakeling 11, die daarmede kan signaleren dat het meest signifikante bit ”1" is.

In figuur 5 is een vijfbits omzetter weergegeven. Voor de strocmspiegelschakeling is per trap een operationele versterker 14 8202301 EHN 10.363 5 net 2 gelijke weerstanden Rj, tot en net R- aanwezig. De veerstanden kunnen voor de verschillende trappen gelijk in waarde zijn, naar kunnen ook bijvoorbeeld binair in waaide toenemen, dus Re- = 2Rj, = 2R^, R^ = 2R^ en R^ = 2Rj. De maximale uitsturing van 5 elke versterker 14 is. daardoor gelijk.

De werking van de omzetter volgens fig. 5 is als volgt.

De ingangsstroom r wordt toegevoerd aan de ingang 20 van de omzetter en heeft een waarde tussen 0 en 21. De ingang 20 is doorverbonden met ingang 1 van de eerste trap, Is de waarde van deze ingangsstroom 10 kleiner dan I, dan wordt het verschil door transistor 5 geleverd. Bij zeer grote strocmversterkingsfaktor mag gesteld worden, dat de kollek-tcrstrocsn van transistor 5 gelijk is aan dit verschil. Deze kollektor-stroom veroorzaakt een spanningsval over de weerstand Rj, die met de min-ingang van de versterker 14 en met de uitgang 15 verbonden is.

15 Deze uitgang is via een veerstand R^ ook met de plus-ingang van de versterker 14 verbonden. De spanningsval over deze twee veerstanden dient gelijk te zijn, zodat een stroom vanaf uitgang 15, door weerstand Rj naar de uitgang 9 zal vloeien, waarvan de waarde, ook door een eventuele kleine afregeling van de twee weerstanden Rj 20 onderling, gelijk is aan de verschilstrocm van knooppunt 2. Eêh of meerdere diodes 16 of een zenerdicde worden aangebracht tussen de plus-ingang en uitgang 9 cm in het geval transistor 5 van de volgende trap geleidt de transistor 5 van de eerste trap voldoende basis-kollektor-spanning te geven. De positieve spanning, die de uitgang 15 25 nu heeft, wordt met een inverter 17, als nivo "0" aan de bituitgang 18 afgegeven. Ben ingangsstroom van 0 tot. I wordt via de strocm-spiegelschakeling als een uitgangsstrocm I tot 0 door uitgang 9 aan ingang 1 van de volgende trap aangeboden.

Is de ingangsstroom van de eerste trap gelegen tussen I en 30 21, dan wordt hiervan de referentiestrocm I afgetrokken en het verschil via diode 3 aan uitgang 9 toegevoerd.. De stroom met waarde I tot 21 geeft een uitgangsstrocm 0 tot I.

Bet blijkt dus, dat de tweede trap een ingangsstroom heeft gelegen tussen 0 en I. Is de waarde kleiner dan geleidt de 35 strocmspiegelschakeling, is de waarde groter dan %I dan geleidt diode 3. Dit laatste doet zich dus voor wanneer de ingangsstroom van de omzetter gelegen is tussen 0 en de ingangsstroom van de tweede trap is dan gelegen tussen I en hlf en wanneer de ingangsstroom van 8202301 t l EHN 10.363 6 de omzetter gelegen is tussen λ\Ί. en 21, waarbij de ingangsstroom van de tweede trap gelegen is tussen \I en I.

In beide gevallen is bet op één na meest belangrijke bit gelijk aan "O", hetgeen tot uitdrukking karet door bet stroanlooszijn 5 van de stroanspiegelschakeling en een laag nivo, overeenkomend met "0", aan de bituitgang 19.

De derde trap ontvangt aan de ingang een stroom liggend tussen 0 en en levert aan de vierde trap een stroom liggend tussen 0 en ·|·Ι.

10 In figuur 6 zijn de eerste, de tweede en de derde trap weergegeven van een stroom analoog digitaal omzetter met polariteits-anschakeling en met strocmspiegels.

De strocmspiegelschakeling 11 bevat 2 transistoren 21 en 22, die sarren een strocmspiegel vormen, waarbij dus de kollektor-15 stroom van transistor 5 door de als referentiediode geschakelde transistor 21 vloeit, en transistor 22 daardoor een evenredige, hier vrijvel gelijke stroom toevoert aan de uitgang 9. Voor een nauwkeurige afregeling kunnen weerstanden opgenemen zijn tussen de emitters en de voedingsrail 26. Een bitindikatietransistor 23 is met de strocmspiegel 20 gekoppeld. Als bitindikatie schakeling is een transistor 24 en een strocHiindikator, bijvoorbeeld een LED, aangebracht.

Voor de polarite itscmschakeling bevat de eerste trap een stroombron 6a, die een stroom I kan toevoeren aan het knooppunt 2 en daartoe aan de positieve voedingsrail 26 is verbanden, eventueel 25 via een stroemindikator 27, die als de bron 6a stroom voert aangeeft dat stromen gemeten kunnen worden met negatieve polariteit, zoals bij ingang 20 voor de stroom is aangegeven met de gestippelde pijl. De bitindikator 25 is rechtstreeks op de transistor 24 aangesloten.

Voor het meten van stranen van de andere polariteit, aangeduid voor 30 met een volle pijl en het plusteken, wordt de indikator 25 aangesloten op een transistor 28, waarvan de basis op de kollektcruitgang van transistor 24 en qp een basisweerstand 29 is aangesloten. De transistor 28 vormt een cmkeerschakeling ten behoeve van de bitindikatie.

Tévens is de bron 6a vervangen door de bron 6b, die zo geschakeld is 35 tussen knooppunt 2 en de negatieve voedingsrail 30, dat een stroom I van het knooppunt 2 af genomen wordt.

Het anschakelen van de polariteit en het omschakelen van de bitindikator in de eerste trap is in fig. 6 symbolisch aangegeven 8202301 PEN 10.363 7 met een onschakelaar 31 en een onschakelaar 32, waarvan de volge-tekerde doorverbinding korrespondeert met de volle pijl i^, en waarvan de gestippeld getekende doorverbinding korrespondeert met de gestippelde pijl L·. Voor bet aanduiden van de plus-polariteit 5 kan een strocmindikator 33 in serie met bron 6b opgenonen worden.

Opgemerkt wordt, dan in beschrijving en conclusies de bouwelementen "diode" en "transistor" geneemd worden.

Eet zal voor de vakman duidelijk zijn, dat onder "diode" verstaan kan worden elk bouwelement, dat onder aanleg van een geschikte 10 spanning strocm doorlaat in de ene richting en stroom spert in de andere richting, en dat onder "transistor" niet alleen de bipolaire uitvoering begrepen is, maar ook elk halfgeleiderelement met een hoofdstrooniketen met twee aansluitelektroden en met een stuurelektrode voor regeling van de stroom in de hoofdstrcanketen, zoals bijvoorbeeld 15 FET's in "junctiQn"-uitvoering of in MOS-techniek, waarbij dan voor basis "gate", voor emitter "source" en voor kollektor "drain" gelezen moet warden.

20 25 30 35 8202301

Claims (8)

1. Stroom analoog digitaal omzetter bevattende n trappen, die ieder een bit leveren en die in serie geschakeld zijn, waartoe een ingang verbonden is met een uitgang van een vorige trap en waarbij in elke trap een knooppunt verbonden is 1) met de ingang, 2) met 5 een eerste diode, die anderzijds met de uitgang verbonden is, 3) net de emitter van een eerste transistor in gemeenschappelijke basis-schakeling, en 4) met een referentiestrocmlxon, die zo geschakeld is, dat met een ingangsstrocm aan de ingang een verschilstrocm aan het knooppunt ontstaat, waarbij de genoemde emitter de verschilstrocm 10 voert, indien deze stroom de ene stroomrichting heeft en waarbij de eerste diode de verschilstrocm voert, indien deze stroom de andere stroomrichting heeft, met het kenmerk, dat een strocmspiegelschakeling verbonden is met de kollektor van de eerste transistor en met de uitgang zodat deze uitgang een uitgangsstrocm kan voeren, die in waarde vrijwel 15 gelijk is aan de kollektorstrocm van de eerste transistor en die in richting overeenstemt met de doorlaatrichting van de eerste diode.

2. Stroom analoog digitaal omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de strocmspiegelschakeling tenminste twee tran-sistoren bevat, die ieder met de emitter met een voedingsbron gekoppeld 20 zijn, en die met de bases doorverbonden zijn en waarvan de ene kollektor met de bases en met de kollektor van de eerste transistor verbonden is en waarvan de andere kollektor met de uitgang' verbonden is.

3. Stroom analoog digitaal omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stroomspiegelschakeling een operationele ver-25 sterker bevat, waarvan de uitgang pp twee vrijwel gelijke weerstanden aangesloten is, en waarvan de ene ingang met de ene weerstand en met de kollektor van de eerste transistor en waarvan de andere ingang met de andere veerstand en via tenminste één tweede diode met de uitgang verbonden is.

4. Stroom analoog digitaal omzetter volgens êên der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een bitindikatieschakeling met de eerste diode is gekoppeld.

5. Stroom analoog digitaal omzetter volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de strocmspiegelschakeling een bitindikatietransis-35 tor bevat, die met de emitter aan de voedingsbron en met de basis aan de andere genoemde bases aangesloten is.

6. Stroom analoog digitaal omzetter volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat een bitindikatieschakeling met de uitgang van de 8202301 Λ ΕΗΝ 10.363 9 β operationele versterker verbonden is.

7. Stroom analoog digitaal omzetter volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de eerste trap, die het meest signi-fikante hit vertegenwoordigt, een cmkeerschakeling bevat ten behoeve 5 van een bitindikatieschakeling.

8. Stroom analoog digitaal omzetter volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de referentiestrocm van de eerste trap van stroomrichting omkeerbaar is en hiermede een cmschakelinrichting gekoppeld is, die de bitindikatieschakeling op de ingang of cp de uitgang van 10 de cmkeerschakeling aansluit. 15 20 25 30 35 8202301