DE1243719B - Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen eines Analogwertes in einen n-stelligen Binaerwert - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H 03 k

Deutsche Kl.: 21 al-36/00

Nummer: 1243 719

Aktenzeichen: W 30586 VIII a/21 al

Anmeldetag: 21. August 1961

Auslegetag: 6. Juli 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umsetzen eines Analogwerts in einen n-stelligen Binärwert unter Verwendung von η bewerteten Stufen, von denen jede zwischen einem ersten und einem zweiten stabilen Zustand umschaltbar ist und, wenn sie sich im zweiten Zustand befindet, ein die Bewertung dieser Stufe repräsentierendes Signal erzeugt, wobei anfänglich alle Stufen in den ersten Zustand eingestellt werden, wonach die Stufen aufeinanderfolgend in den zweiten Zustand umgeschaltet werden, die bewerteten Signale mit dem umzusetzenden Analogwert verglichen werden und, wenn der Analogwert der kleinere ist, die zuletzt umgeschaltete Stufe wieder in den ersten Zustand zurückgeschaltet wird. Ebenfalls bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei einem bekannten Analog-Digital-Umsetzer wird das Umsetzen oder Kodieren eines Analogsignals in einen n-stelligen Binärwert nacheinander ziffernweise durchgeführt, wobei bei der höchstwertigen Ziffer begonnen wird und η Ziffernbestimmungen benötigt werden, um ein Analogsignal vollständig zu kodieren. Diese Art der Umsetzung kann als geometrische Progression insofern betrachtet werden, als zuerst bestimmt wird, in welcher Hälfte der insgesamt möglichen Binärwerte das Analogsignal zu liegen kommt, so dann bestimmt wird, in welchem Viertel der gewählten Hälfte das Analogsignal zu liegen kommt, alsdann bestimmt wird, in welchem Achtel des gewählten Viertels das Signal zu liegen kommt usw. Der Prozeß wird weitergeführt, bis die Amplitude des Analogsignals mit dem gewünschten Genauigkeitsgrad spezifiziert ist. Um die Amplitude bis auf einen von 127 Teilen in einem Umsetzer zu bestimmen, in dem die Digitalschritte in linearer Beziehung zur Amplitude des Analogsignals stehen, müßten sieben gesonderte Ziffernbestimmungen vorgenommen werden. Eine Ziffernbestimmung mehr würde die Bestimmung bis auf einen von 255 Teilen erlauben.

Die bekannten n-ziffrigen Analog-Digital-Umsetzer mit ziffernweiser Bestimmung arbeiten fremdsynchronisiert. Hierbei werden also η aufeinanderfolgende Taktimpulse an η verschiedene Schaltungspunkte des Umsetzers von einer äußeren Taktimpulsquelle geliefert. Unter dem Einfluß dieser der Synchronisierung dienenden Impulse führt ein derartiger Umsetzer nacheinander η Amplitudenvergleiche oder Ziffernbestimmungen. durch und speichert deren Ergebnisse.

Aufgabe der Erfindung ist es, demgegenüber ein Verfahren und Vorrichtung zum Umsetzen eines Analogwertes in einen n-stelligen Binärwert

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Reginald Alfred Kaenel, Murray Hill, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 22. August 1960 (51 016)

Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem ein /i-stelliger Digital-Umsetzer mit Eigentaktgabe betrieben werden kann.

Die Lösung dieser Aufgaben ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das aufeinanderfolgende Umschalten der Stufen eingeleitet wird durch Zuführen eines Umschaltimpulses zur ersten Stufe, sonach dadurch fortgesetzt wird, daß, wenn eine Stufe in den zweiten Zustand umschaltet, dieselbe einen Steuerimpuls vorbestimmter Dauer erzeugt, dessen Rückflanke seinerseits einen Umschaltimpuls erzeugt und der nächsten Stufe zuführt.

Ein beispielhafter Analog-Digital-Umsetzer zur Durchführung des Verfahrens enthält η Stufen, von denen eine jede zwei gleichsinnig in Reihe geschaltete spannungsgesteuerte Dioden negativen Widerstands aufweisen. Mit jedem Diodenpaar liegt eine Spule in Reihe. An den Verbindungspunkt zwischen den Dioden ist eine Anordnung geschaltet, die eine als Summierverstärker wirksame bipolare Quelle aufweist. Letztere bewirkt, daß wahlweise eine der Dioden mehr Strom führt als die andere. Der Ausgangsstrom des Summierverstärkers steuert die Art der Umschaltung der Dioden unter dem Einfluß eines zugeführten, als Umschaltimpuls dienenden Triggerimpulses..

Ein . Rückstellsignal für den Summierverstärker stellt sicher, daß in jeder der η Stufen die untere Diode derselben sich anfangs im Bereich positiven Widerstands bei hoher Spannung stabilisiert. Dieser

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Zustand soll die Binärziffer »0« darstellen. Dann Mit der Spule der ersten Stufe ist ein Kreis ver- Ji wird das umsetzende Analogsignal an den Summier- bunden, der, auf die Rückflanke des regenerierten Si verstärker geliefert. Es bewirkt, daß ein Strom in Impulses ansprechend, einen Triggerimpuls an den D einer gegebenen Richtung zum Diodenverbindungs- Verbindungspunkt zwischen der Spule und den S' punkt fließt, während ein Triggerimpuls an den Ver- 5 Dioden der zweiten Stufe liefert. Die Dioden dieser E bindungspunkt zwischen den Dioden einerseits und Stufe durchlaufen daher einen Schaltzyklus, wie »] der Spule der ersten, der höchstwertigen Ziffern- dieser vorstehend im Zusammenhang mit der ersten ei stufe des Umsetzers andererseits zugeführt wird, um Stufe beschrieben wurde. Der von der zweiten Stufe H zu bewirken, daß die untere Diode in den Bereich zum Eingangskreis des Summierverstärkers beige- M positiven Widerstands bei niedriger Spannung um- io tragene binärbewertete Strom wird zu dem Stromgeschaltet wird. Dieses Umschalten bewirkt, daß ein beitrag der ersten Stufe addiert. Letzterer kann, binärbewerteter Strom zum Eingangskreis des Sum- wie oben ausgeführt wurde, entweder ein binärmierverstärkers geliefert wird. Unter der Annahme, bewerteter Stromwert sein, der eine »1« in der daß dieser binärbewertete Strom geringer als der höchstwertigen Ziffernstelle anzeigt, oder ein NuIldurch das Analogsignal entstehende Strom ist, ist der 15 stromwert, der eine »0« in der höchstwertigen Ausgang des Summierverstärkers derart, daß der Ziffernstelle anzeigt.

Strom zum Diodenverbindungspunkt weiter in der In ähnlicher Weise spricht jede folgende Stufe des

gegebenen Richtung fließt. Um anzuzeigen, daß der Umsetzers auf einen Triggerimpuls an, indem sie

digitale Binärwert des Analogsignals in der höchst- einen Amplitudenvergleich durchführt, das Ergeb-

wertigen Ziffernstelle eine »1« enthalten soll, werden 20 nis des Vergleichs speichert und dann einen zeitlich

die Dioden in den je anderen ihrer beiden stabilen genau festgelegten Impuls liefert, um einen ähn-

Zustände umgeschaltet. Dann ist also die obere liehen Arbeitszyklus in der nächst geringerwertigen

Diode im Bereich positiven Widerstands bei hoher Ziffernstufe auszulösen.

Spannung stabilisiert und die untere Diode im Be- Demnach enthält der bevorzugt zur Durchführung

reich positiven Widerstands bei niedriger Spannung. 25 des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene

Ist der binärbewertete Strom der ersten, der Analog-Digital-Umsetzer eine Vielzahl sehr zuver-

höchstwertigen Stufe geringer als der durch das lässig arbeitender einfacher Stufen, die je Ampli-

analoge Eingangssignal entstehende Strom, so wird tudenunterscheidungsspeicher und Zeitbestimmungs-

bewirkt, daß die untere Diode der ersten Stufe in einrichtungen aufweisen. Der Umsetzer hat ferner

ihren stabilen Zustand bei niedriger Spannung, der 30 den Vorteil, daß eine äußere Taktsignalquelle nicht

eine »1« darstellt, umgeschaltet wird und dort bleibt. erforderlich ist, daß die Umsetzung mit hoher Ge-

Dieser Zustand hat zur Folge, daß der binärbe- schwindigkeit stattfindet und daß ein geringer Ener-

wertete Ausgangsstrom weiter in den Eingangskreis gieverbrauch, hohe Zuverlässigkeit und äußerste Ein-

des Summierverstärkers fließt und so eine »1« in fachheit des Aufbaus gegeben sind,
dieser Stufe anzeigt. 35 Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich-

Wenn andererseits das Umschalten der unteren nung beschrieben. Es zeigt

Diode der ersten Stufe in den stabilen Zustand bei Fig. IA eine Stufe eines Analog-Digital-Umniedriger Spannung bewirkt, daß ein binärbewerteter setzers mit zwei gleichsinnig in Reihe geschalteten Strom, der größer als der durch das analoge Ein- Dioden negativen Widerstands,
gangssignal entstehende Strom ist, in den Eingangs- 40 Fig. IB, IC je die Spannungsstromkennlinie jeder kreis des Summierverstärkers fließt, wird der Sum- der Dioden nach Fig. IA sowie je eine Umschalmierverstärker gesperrt, und eine mit der Ausgangs- tungsart, die in der Anordnung nach Fig. IA unter elektrode verbundene Hilfsspannungsquelle veran- dem Einfluß eines Triggerimpulses stattfindet,
laßt, daß der zum Diodenverbindungspunkt fließende Fig. 2A das Schaltbild eines dreistufigen Analog-Strom in der Richtung umgekehrt wird. Wenn also 45 Digital-Umsetzers ur.d

die digitale Binärdarstellung des Analogsignals keine Fig. 2B verschiedene Impulsformen, die für den »1« in der höchstwertigen Ziffernstelle enthalten soll, Umsetzer nach Fig. 2A kennzeichnend sind,
werden die Dioden in ihren anfänglichen Betriebs- Eine große Anzahl elektronischer Einrichtungen zustand zurückgeschaltet, die obere Diode kehrt also zeigen Widerstandskennlini^n, bei denen zwei Kennin den stabilen Zustand bei niedriger Spannung zu- 50 linienbereiche positiven Widerstands über einen Berück und die untere Diode in den stabilen Zustand reich negativen Widerstands verbunden sind. Es ist bei hoher Spannung. Dieser Zustand stellt eine »0« seit langem bekannt, daß derartige Negativ-Widerdar und entspricht einer Spannung, die veranlaßt, Standskennlinien N- oder S-Form haben können, daß das Fließen des binärbewerteten Stroms der Der N-Typus, der als offen-stabil (oder kurzschlußersten Stufe in den Eingangskreis des Summierver- 55 instabil oder stromgesteuert) bezeichnet wird, hat stärkers unterbrochen wird und so eine »0« in dieser Wendepunkte beim Widerstand 0. Der S-Typus, der Stufe anzeigt. als kurzschluß-stabil (oder offen-instabil oder span-

Das Umschalten der Dioden der ersten Stufe unter nungsgesteuert) bezeichnet wird, ist das duale Gedem Einfluß eines Triggerimpulses bewirkt, daß genstück des N-Typus und hat Wendepunkte bei ein regenerierter Impuls, d. h. ein verstärkter Impuls 60 der Leitfähigkeit 0. Das Thyratron und Dynatron ist vorbestimmter Zeitdauer, an der in Reihe mit den je ein Beispiel für Röhren, die Negativ-Widerstands-Dioden liegenden Spule erscheint. Die Vorderflanke kennlinien in N- bzw. S-Form haben,
dieses regenerierten Impulses fällt mit der Vorder- In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen flanke des Triggerimpulses zusammen, während die sind spannungsgesteuerte Dioden mit negativem Rückflanke des regenerierten Impulses in einem 6₅ Widerstand vorgesehen. Hierfür kommt vor allem genau bestimm- und steuerbaren späteren Zeitpunkt die sogenannte Tunneldiode in Frage. Tunneldioden auftritt, der eine Funktion der Parameter der ersten sind in der Literatur beschrieben (siehe z. B. Stufe ist. »New Phenomenon in Narrow Germanium P-N

Junctions« von L. Esaki, Physical Review, Bd. 109, Januar bis März 1958, S. 603 und 604; »Tunnel-Diodes as High-Frequency Devices« von H. S. Sommers jr., Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Bd. 47, JuIi 1959, S. 1201 bis 1206; und »High-Frequency Negative-Resistance Circuit Principles for Esaki Diode Applications« von M. E. Hines, The Bell System Technical Journal, Bd. 39, Mai 1960, S. 477 bis 513).

Die Tunneldiode hat einen pn-übergang, wobei beide Zonen kontaktiert und mit Anschlußelektroden versehen sind. Ihr Aufbau gleicht grundsätzlich normalen Halbleiterdioden, unterscheidet sich aber von diesen in zweifacher Hinsicht: Die Tunneldiode erfordert erstens einen äußerst dünnen pnübergang, etwa 100 A dick, der chemische Übergang von der η-Zone zur p-Zone muß also plötzlich erfolgen. Zweitens müssen beide Zonen entartet sein, d. h. sehr große Aktivatorkonzentrationen in der Größenordnung von 10¹⁹ Atomen je Kubikzentimeter enthalten.

Die Tunneldiode bietet zahlreiche mechanische und elektrische Vorteile gegenüber anderen Zweipolanordnungen mit negativem Widerstand. Hierher gehören geringer Preis, Standfestigkeit gegen Umwelteinflüsse, Zuverlässigkeit, geringer Energieverbrauch, Eignung für Hochfrequenz und Rauscharmut. Deshalb sind bei den Ausführungsbeispielen bevorzugt Tunneldioden als die Dioden mit negativem Widerstand vorgesehen.

In F i g. 1A ist in vereinfachter Form eine Stufe eines Analog-Digital-Umsetzers dargestellt. Es sind zwei spannungsgesteuerte Tunneldioden 100 und 110 vorgesehen, die gleichsinnig in Reihe geschaltet sind. In Reihe mit den Dioden 100 und 110 liegt eine Spule 114, die vorteilhafterweise die Primärwicklung eines Transformators 115 ist. Die Sekundärwicklung 116 desselben ist mit einem Kreis 117 verbunden. Ferner ist die Spule 114 an eine Gleichstromquelle 118 angeschlossen, die so gewählt ist, daß sich immer nur eine Diode im stabilen Zustand bei hoher Spannung befinden kann, während sich die andere Diode im stabilen Zustand bei geringer Spannung befindet, und umgekehrt.

Die umzusetzenden, d. h. in einen Binärwert zu kodierenden Analogsignale werden dem Eingangskreis einer als Summierverstärker wirksamen bipolaren Quelle 120 von der Analogsignalquelle 125 zugeführt. Mit dem Eingangskreis des Summierverstärkers 120 ist ferner der Ausgang einer Rückstellsignalquelle 126 verbunden, deren Eingang von einer Triggerimpulsquelle 127 stammt. Auf jeden alternierenden der Ausgangsimpulse der Triggerimpulsquelle 127 liefert die Rückstellsignalquelle eine negative Eingangsspannung zum Eingangskreis des Summierverstärkers 120, um zu veranlassen, daß der Strom im Ausgangsleiter 128 des Verstärkers 120 in Richtung des gestrichelten Pfeils 130 fließt. Dies erfordert, daß der Strom durch die untere Diode 110 den Strom durch die obere Diode 100 übersteigt. Auf einen Rückstellimpuls der Quelle 127 hin werden dann die Dioden 100 und 110 in einen Zustand umgeschaltet, in dem die untere Diode 110 bei hoher Spannung und die obere Diode 100, bei niedriger Spannung stabilisiert sind. Das nachfolgende Zuführen des umzuwandelnden Analogsignals an den Summierverstärker 120 verursacht einen Stromfluß im Ausgangsleiter 128 des Verstärkers 120 in Richtung des ausgezogenen Pfeils 131, so daß sich der stabile Arbeitspunkt der unteren Diode 110 zu einem Punkt bei hoher Spannung und niedrigem Strom und der der oberen Diode 100 zu einem Punkt bei niedriger Spannung und hohem Strom verschiebt.

Dann löst das Zuführen eines Umsetz-Trigger-

impulses der Quelle 127 an den Verbindungspunkt 132 zwischen Spule 114 und oberer Diode lOO einen Schaltzyklus aus, der bewirkt, daß der Strom über

ίο einen binärbewerteten Widerstands zum Eingangskreis des Summierverstärkers 120 liefert. Wenn der Strom des Generators 140 den Strom übersteigt, der durch das Analogsignal von der Quelle 125 zum Eingangskreis des Summierverstärkers 120 geliefert

wird, kehrt sich die Stromrichtung im Ausgangsleiter 128 in die Richtung des Pfeils 130 um. Nach Beendigung dieses Schaltzyklus kehrt, wie noch im einzelnen im Zusammenhang mit Fig. IC beschrieben wird, die untere Diode 110 in den stabilen Zustand bei hoher Spannung zurück und die obere Diode 100 in den stabilen Zustand bei niedriger Spannung. Es wird also der Stromgenerator 140 abgeschaltet, es fließt kein Strom durch den binärbewerteten Widerstand R, und das auf dem Ausgangsleiter 150 der ersten, höchstwertigen Ziffernstufe erscheinende Ausgangssignal ist eine vergleichsweise niedrige Spannung, die anzeigt, daß die richtige Kodierung des angenommenen Analogsignals eine »0« in der höchstwertigen Ziffernstelle des das Analogsignal darstellenden Binärwerts erfordert.

Wenn andererseits der Strom vom Generator 140 den vom Analogsignal zum Eingangskreis des Summierverstärkers gelieferten Strom nicht übersteigt, bleibt die Richtung des Stroms im Ausgangsleiter 128 in Richtung des Pfeils 131. Bei Beendigung des oben angegebenen Schaltzyklus kommt, wie noch im Zusammenhang mit F i g. 1B im einzelnen erläutert wird, die untere Diode 110 in ihrem stabilen Zustand bei geringer Spannung zur Ruhe und die obere Diode 100 in ihrem stabilen Zustand bei hoher Spannung. Demgemäß fließt weiter Strom vom Stromgenerator über den binärbewerteten Widerstand R, und das auf dem Leiter 150 entstehende digitale Ausgangssignal ist eine vergleichsweise hohe Spannung, die anzeigt, daß die richtige Kodierung des angenommenen Analogsignals eine »1« in der höchstwertigen Ziffernstelle des digitalen Binärwerts erfordert.

Als Ergebnis beider Arten der beschriebenen Schaltzyklen erscheint an der Spule 114 der ersten Stufe ein regenerierter Impuls, dessen Vorderflanke zum Zeitpunkt ti (s. regenerierte Impulsform in F i g. 1 A) gleichzeitig mit der Vorderflanke eines Ausgangsimpulses der Quelle 127 auftritt und dessen Rückflanke zu einem späteren Zeitpunkt ti auftritt. Hierbei ist das Zeitintervall zwischen ti und ti genau bestimmbar und steuerbar (es hängt von den Parametern der ersten Stufe ab und stellt die Zeit dar, in der die erste Stufe ihren Amplitudenvergleich durchführt).

Der Differenzierkreis 117 der ersten Stufe liefert auf das Erscheinen des regenerierten Impulses hin zur Zeit ti an die zweite, nächst niedriger bewertete Stufe einen Trigger- oder internen Taktimpuls, um in dieser einen weiteren Amplitudenvergleich, also eine Ziffernbestimmung auszulösen und fernerhin zu bewirken, daß die zweite Stufe einen regenerierten Impuls erzeugt, aus dem ein Taktimpuls für die dritte

Stufe abgeleitet wird usw., bis jede der Stufen dahingehend angesprochen hat, entweder ein Ausgangssignal »0« oder ein Ausgangssignal »1« zu liefern. Diese Ausgangssignale bilden zusammen den «-stelligen Binärwert des analogen Eingangssignals.

Im Hinblick auf ein erleichtertes Verständnis sollen nun die Schaltaktionen der gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden 100 und 110 im einzelnen an Hand der Fig. IB und IC beschrieben werden.

In Fig. IB liegen die anfänglichen stabilen Arbeitspunkte der Dioden 100 und 110 bei 160 bzw. 161. Unter der Annahme, daß das anfängliche Zuführen eines Analogsignals an den Eingangskreis des Summierverstärkers 120 bewirkt, daß ein Strom im Ausgangsleiter 128 in Richtung des Pfeils 131 fließt, ist der dem Arbeitspunkt 160 entsprechende Strom um +AI größer als der dem Arbeitspunkt 161 entsprechende Strom.

Das nachfolgende Liefern eines positiven Umsetz-Stromimpulses von der Quelle 127 an den Punkt 132 bewirkt eine Stromabnahme um P des durch beide Dioden 100 und 110 fließenden Stroms. Hierdurch wird zum Zeitpunkt 11 der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 vom Punkt 161 über den tiefsten Punkt 162 der Kennlinie 175 der F i g. 1B hinweg auf einen Punkt 163 des Kennlinienbereichs positiven Widerstands bei niedriger Spannung umgeschaltet. Während dieses selben Zeitintervalls nimmt auch der durch die obere Diode 100 fließende Strom um den Wert P ab, wie dies durch die Verschiebung des Arbeitspunkts der Diode 100 vom Punkt 160 auf den Punkt 164 dargestellt ist. Wenn dann der Umsetzimpuls der Quelle 127 auf 0 abnimmt, verschiebt sich der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 auf einen Punkt 165, dessen Stromwert dem des anfänglichen Arbeitspunkts 161 entspricht, während sich der Arbeitspunkt der oberen Diode 100 in den anfänglichen Arbeitspunkt 160 verschiebt. Hierbei unterscheiden sich die den Punkten 160 und 165 entsprechenden Ströme um +AI. Wenn dann das Magnetfeld an der Spule 114, das wegen der Änderung des Stromflusses um P durch die obere Diode 100 hindurch induziert worden ist, wieder zusammenbricht und dabei einen entsprechenden Stromstoß in der Spule 114 induziert, verschieben sich als Folge hiervon die Punkte 160 und 165 auf dem Kennlinienbereich positiven Widerstands bei geringer Spannung zum höchsten Punkt.166 hin. Bei dieser Verschiebung wird die Stromdifferenz +AI aufrechterhalten, was mit anderen Worten bedeutet, daß Fig. IB den Schaltzyklus für den Fall darstellt, daß der Strombeitrag durch den binärbewerteten Widerstand R der Fig. IA an den Eingangskreis des Summierverstärkers 120 kleiner als der Strom ist, den das umzusetzende Analogsignal beiträgt.

Wenn der Arbeitspunkt der oberen Diode 100 den höchsten Punkt 166 der Kennlinie 175 erreicht, ist der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 bei 167 angelangt. Zum Zeitpunkt ti schaltet dann die obere Diode auf einen Punkt 168 des den hohen Spannungen zugeordneten positiven Kennlinienastes um und verschiebt, wenn das Magnetfeld der Spule 114 zusammenbricht, ihren Arbeitspunkt nach unten zum tiefsten Punkt 162 hin. Der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 verschiebt sich auf dem den niedrigen Spannungen zugeordneten positiven Kennlinienast nach unten derart, daß die Differenz +AI zwischen den durch die beiden gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden fließenden Strömen aufrechterhalten wird. Schließlich kommt die obere Diode 100 am Punkt 170 bei hoher Spannung und die untere Diode am Punkt 171 bei niedriger Spannung zur Ruhe, dessen zugeordneter Spannungswert V 4 den Stromfluß vom Generator 140 aufrechterhält. Es erscheint also ein Signal »1« am binärbewerteten Widerstand R. Es sei darauf hingewiesen, daß die Stromwerte, die den Punkten 170 und 171 entsprechen, sich um

ίο A +1 unterscheiden, und daß die Summe der Spannungen V 3 und V 4, die den Punkten 170 und 171 entsprechen, gleich der Summe der Spannungen Fl und V 2 ist, nämlich der Spannungen der anfänglichen Arbeitspunkte 160 bzw. 161.

Wenn als Ergebnis einer Ziffernbestimmung, also eines Amplitudenvergleichs, in einer anderen Stufe als der höchstwertigen der Ausgangsstrom des Summierverstärkers 120 in Richtung des Pfeils 130 fließt und dadurch erfordert, daß die Differenz zwischen den Strömen durch die Dioden 100 und 110 gleich — AI wird, verschieben sich der Arbeitspunkt 170 der oberen Diode 100 nach unten zum Punkt 161 und der Arbeitspunkt 171 der unteren Diode 110 nach oben zum Punkt 160. In diesem Fall befindet sich die untere Diode immer noch bei einer vergleichsweise niedrigen Spannung Vl, die ausreicht, den Stromgenerator 140 eingeschaltet zu halten. Es ist also offensichtlich, daß Schaltaktionen in anderen Stufen den gespeicherten Zustand einer bereits geschalteten Stufe nicht zerstören können.

In F i g. 1C ist der sich ergebende Schaltzyklus dargestellt, wenn eine Stufe oder eine Kombination von Stufen zum Eingangskreis des Summierverstärkers 120 einen Strom beitragen, dessen Wert größer ist als der vom umzusetzenden Analogsignal gelieferte Strom. Eine derartige Strombeziehung erfordert einen Stromfluß im Ausgangsleiter des Summierverstärkers in Richtung des Pfeils 130.

Im einzelnen sind in F i g. 1C die Punkte 180 und 181 auf der Kennlinie 195 die anfänglichen Arbeitspunkte der Dioden 100 bzw. 110 bei anstehendem Analogsignal gerade vor der Zufuhr eines Umsetzimpulses von der Quelle 127. Die Punkte 180 und

181 entsprechen genau den Punkten 160 bzw. 161 der Fig. IB. Daher unterscheiden sich die den Punkten 180 und 181 zugeordneten Stromwerte um + AI. Die diesen Punkten zugeordneten Spannungswerte sind Vl bzw. Vl.

Das Erscheinen eines positiven Umsetzimpulses der Quelle 127 am Punkt 132 veranlaßt eine Stromverminderung der Größe P in den Dioden 100 und 110. Hierdurch wird der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 vom Punkt 181 über den tiefsten Punkt

182 der Kennlinie 195 hinweg auf den Punkt 183 des den niedrigen Spannungen zugeordneten Kennlinienastes umgeschaltet. Während des gleichen Zeitintervalls nimmt auch der Strom durch die obere Diode 100 um den Wert P ab, wie dies durch eine Verschiebung des Arbeitspunkts der Diode 100 vom Punkt 180 nach Punkt 184 dargestellt ist. Wenn dann der Umsetzimpuls auf 0 abnimmt, verschiebt sich der Arbeitspunkt der unteren Dioden 110 auf einen Punkt 185, dessen zugeordneter Stromwert der gleiche ist wie derjenige des anfänglichen Arbeitspunkts 181, und der Arbeitspunkt der oberen Diode 100 verschiebt, sich vom Punkt 184 zum anfänglichen Arbeitspunkt 180 zurück, wobei die Stromdifferenz zwischen den Punkten 180 und 185 +Al ist. Wenn dann wieder

das Magnetfeld der Spule 114 zusammenzubrechen beginnt, besteht die Tendenz, daß sich die Punkte 180 und 185 zum höchsten Punkt 186 der Kurve 195 hin verschieben. Infolge des der Fig. IC zugrunde liegenden Umstands, daß der Strom, welchen der binärbewertete Widerstand R zum Eingangskreis des Summierverstärkers 120 beiträgt, größer als der vom Analogsignal beigetragene Strom ist, was erfordert, daß die Stromrichtung im Ausgangsleiter 128 in die Richtung des Pfeils 130 umgeschaltet wird, nimmt die Stromdifferenz + AI auf 0 ab und nimmt dann den Wert — AI an. Mit anderen Worten, der Arbeitspunkt 180 der oberen Diode 100 verschiebt sich auf einen Punkt 187, während sich der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 auf einen Punkt 188 verschiebt, dessen zugeordneter Stromwert um AI größer ist als der des Punktes 187. Dann verschiebt sich der Punkt 188 der unteren Diode nach oben zum höchsten Punkt 186 und schaltet dann auf einen Punkt 190 des den hohen Spannungen zugeordneten positiven Kennlinienastes der Kurve 195 um, während sich der Arbeitspunkt 187 der oberen Diode 100 nach oben zu einem Punkt 189 verschiebt. Wenn danach das Magnetfeld an der Spule 114 zusammenbricht, verschiebt sich der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 vom Punkt 190 in Richtung zum tiefsten Punkt 182 hin, und der Arbeitspunkt der oberen Diode 100 verschiebt sich vom Punkt 189 nach unten derart, daß die Differenz —AI zwischen den durch die beiden Dioden fließenden Ströme aufrechterhalten wird. Schließlich kommt die untere Diode 110 beim Punkt 191 zur Ruhe, die zugeordnete, vergleichsweise hohe Spannung F 3 den Stromfluß vom Generator 1400 der Fig. IA unterbricht und so das Erscheinen eines Signals »0« am binärbewerteten Widerstand R bewirkt. Die obere Diode 100 kommt im Punkt 192 bei vergleichsweise niedriger Spannung zur Ruhe. Es sei bemerkt, daß die den Punkten 191 und 192 entsprechenden Ströme sich um —AI unterscheiden und daß die Summe der diesen Punkten zugeordneten Spannungen V 3 und V 4 gleich der Summe der Spannungen Vl und V 2 ist, nämlich der Spannungen der anfänglichen Arbeitspunkte 180 bzw. 181.

Nach Beendigung eines vollständigen Kodierzyklus ist es notwendig, die Stufen des Analog-Digital-Umsetzers sämtlich in den Zustand »0« zu versetzen, d. h. die untere Diode jeder Stufe in den stabilen Zustand bei hoher Spannung umzuschalten. Dies geschieht unter dem Einfluß eines positiven Rückstellimpulses der Quelle 127. Der Impuls wird dem Verbindungspunkt 132 der ersten Stufe sowie der Rückstellsignalquelle 126 in der Absicht zugeführt, ein negatives Signal an den Eingangskreis des Summierverstärkers 120 zu liefern, so daß die Richtung des Stroms im Ausgangsleiter 128 diejenige des Pfeils 130 annimmt. Diese Kombination, d. h. ein Rückstellimpuls am Verbindungspunkt 132 und ein Strom vom Diodenverbindungspunkt in Richtung des Pfeils 130, bewirkt die Rückkehr der Dioden 100 und 110 in die anfänglichen Arbeitspunkte 160 und 161 (Fig. IB) oder 180 und 181 (Fig. IC). Die Dioden sind daher wieder bereit, nach Empfang eines folgenden Impulses der Quelle 127 die Umsetzung eines weiteren anstehenden Analogsignals vorzunehmen.

Liegen im einzelnen am Ende eines Umsetzzyklus die Arbeitspunkte der Dioden 100 und 110 bei den Punkten 170 bzw. 171 in F i g. 1B, so veranlaßt ein Stromfluß im Ausgangsleiter 128 des Verstärkers in Richtung des Pfeils 130, daß der Punkt 170 zum Punkt 161 und der Punkt 171 zum Punkt 160 verschoben werden. Der positive Rückstellimpuls löst dann einen Schaltzyklus aus, der bewirkt, daß die untere Diode am Punkt 170 und die obere Diode am Punkt 171 zur Ruhe kommen. Nachfolgend, auf ein Zuführen eines Analogsignals an dem Eingangskreis eines Summierverstärkers 120 hin, verschieben sich der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 vom Punkt

ίο 170 zum anfänglichen Arbeitspunkt 161, der Arbeitspunkt der oberen Diode 100 vom Punkt 171 zum anfänglichen Arbeitspunkt 160.

Wenn jedoch bei Beendigung eines Umsetzzyklus die Arbeitspunkte der Dioden 100 und 110 bei 192 bzw. 191 liegen (Fig. 1 C), bewirkt ein Stromfluß im Ausgangsleiter 128 in Richtung des Pfeils 130 lediglich, daß diese Arbeitspunkte erhalten bleiben, weil die Stromdifferenz hierzwischen bereits —AI ist. Der positive Rückstellimpuls löst dann einen Schaltzyklus aus, der veranlaßt, daß der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 wieder beim Punkt 191 und der Arbeitspunkt der oberen Diode 100 wieder beim Punkt 192 zur Ruhe kommen. Nachfolgend, auf die Zufuhr eines Analogsignals an den Eingangskreis des Summierverstärkers 20 hin, wodurch der Strom im Ausgangsleiter 128 die Richtung des Pfeils 131 annimmt, verschieben sich der Arbeitspunkt der unteren Diode 110 vom Punkt 191 zum anfänglichen Arbeitspunkt 181 und der Arbeitspunkt der oberen Diode 100 vom Punkt 192 zum anfänglichen Arbeitspunkt 180.

Aus F i g. 1A ist ferner ersichtlich, daß am Verbindungspunkt 133 zwischen Spule 115 und den Dioden ein asymmetrisch leitendes Diodenelement 135 in Reihe mit einer Quelle 136 negativer Gleichspannung angeschaltet ist. Das Diodenelement 35 und die Quelle 136 dienen zur Begrenzung der Spannung, die an der Diodenreihenschaltung 100, 110 entstehen kann. Hierdurch ist sichergestellt, daß die Dioden 100 und 110 in sehr zuverlässiger Weise auf die anstehenden Impulse zur Durchführung der beschriebenen Schaltaktionen ansprechen.

Übersteigt im einzelnen die negative Spannung zwischen dem Verbindungspunkt 133 und Erde die Spannung der Quelle 136, so leitet die Begrenzerdiode 135 und bildet einen parallel zu den Dioden 100 und 110 verlaufenden niederohmigen Verbindungsweg nach Erde. Die Spannung der Quelle 136 ist dabei so gewählt, daß Trigger- oder Einschwingimpulse nicht gleichzeitig beide Dioden 100 und 110 in den stabilen Zustand bei hoher Spannung bringen können. Wenn beide Dioden auf diese Arbeitspunkte gebracht würden, könnten die hier beschriebenen Transaktionen nicht stattfinden, so daß ein Analogsignal in einen falschen Digitalwert umgesetzt werden könnte.

In F i g. 2 A ist ein dreistufiger Analog-Digital-Umsetzer im einzelnen dargestellt. Seine Triggerimpulsquelle 27 kann ein üblicher Impulsgenerator sein. Seine Rückstellsignalquelle 126 kann ein Kipposzillator sein, der auf alternierende Ausgangsimpulse der Quelle 127 dahingehend anspricht, daß die Rückstellimpulsquelle 126 den Verbindungspunkt 201 gegenüber Erde negativ macht.

Die umzusetzenden Analogsignale werden von der Quelle 125 an den Knotenpunkt 202 geliefert, mit dem ein Widerstand 203 verbunden ist. Das andere Ende des Widerstandes 203 ist mit dem Mittelabgriff eines Potentiometers 204 verbunden, das seinerseits

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an einer Quelle 205 negativer Spannung angeschlos- Strom stattfindet. Wie vorher erläutert wurde, be- <

sen ist. Das Vorzeichen der umzusetzenden Analog- stimmt das Ergebnis dieses Vergleichs den Schalt- ]

signale ist derart, daß sie den Punkt 202 positiv zustand des Summiertransistors 207. ι

gegenüber Erde zu machen suchen, wobei der Punkt Wie im einzelnen im Zusammenhang mit den

202 jedoch tatsächlich nicht positiv wird, bis die 5 F i s. 1B und 1C beschrieben worden ist, bewirkt

negative, über den Widerstand 203 angekoppelte jeder Schaltzyklus der Dioden 100 und 110, daß ein

Grenzspannung überschritten ist. regenerierter Impuls an der Primärwicklung 114 des

Der Knotenpunkt 202 ist mit dem Emitter 207 Transformators 115 erscheint. Dieser regenerierte

eines als Summierverstärker dienenden pnp-Tran- Impuls wird an die Basis eines pnp-Transistors 235

sistors 207 verbunden. Der Transistor 207 liegt mit io gegeben (Fig. 2A).

seiner Basis an positiver Gleichspannung 208 und mit Dieser regenerierte Impuls enthält einen wesentseinem Kollektor über einen Widerstand 209 an nega- liehen positiven Anteil und einen kleinen negativen tiver Gleichspannung 212. Solange der Emitter des Anteil. Der Transistor 235, der durch die Spannungs-Transistors 207 nicht positiv gegenüber der Basis quelle 228 und eine Tunneldiode 236 so vorgespannt wird, sperrt der Transistor 207, und der Strom im 15 ist, daß er sperrt, bleibt während des positiven An-Ausgangsleiter 128 des Verstärkers fließt über die teils des regenerierten Impulses gesperrt, gibt jedoch Widerstände 214 und 209 zur Quelle 212 in Richtung während des negativen Anteils einen positiven Strom des Pfeils 130 (— AI). Fließt jedoch Strom vom über einen Widerstand237 zum Verbindungspunkt Knotenpunkt 202 über den Widerstand 203, so daß 250 zwischen der Spule 216 und den beiden gleichder Knotenpunkt das positive Basispotential des 20 sinnig in Reihe geschalteten Tunneldioden 200 und Transistors 207 überschreitet, so leitet der Transistor, 210 der zweiten Stufe. Hierdurch wird ein Vergleich und der Strom im Leiter 128 fließt über den Wider- oder eine Ziffernbestirnmung in der zweiten Stufe stand 214 in Richtung des Pfeils 131 (+AI). ausgelöst.

Mit dem Knotenpunkt 202 ist außerdem ein Leiter Die zweite und die dritte Stufe des dargestellten

220 verbunden, der damit ebenfalls zur Festlegung 25 Umsetzers arbeiten in der gleichen Weise wie die

der Emitterspannung des Transistors 207 beiträgt, erste Stufe und haben auch den gleichen Aufbau. Es

und ist über einen geeignet bewerteten Widerstand versteht sich, daß ein η-stufiger Analog-Digital-Um-

mit dem Stromgenerator jeder Stufe des Umsetzers setzer nach dem gleichen Prinzip aufzubauen sein

verbunden. Ist beispielsweise der Stromgenerator der wird wie der dargestellte dreistufige Umsetzer,

ersten, der höchstwertigen Ziffernstufe eingeschaltet, 30 Die in Fig. 2B dargestellten Impulsformen sind

so führt der Ausgang dieses Generators über den zur Zusammenfassung der Gesamtwirkungsweise des

binärbewerteten Viderstandi? über den Leiter 220 Umsetzers nach Fig. 2A nützlich. Zu jedem auf der

vom Eingangskreis des Transistors 207, so daß der Zeitskala der Fig. 2B angegebenen Zeitpunkt mit

Punkt 202 bestrebt ist, gegenüber Erde negativ zu ungerader Nummer liefert die Quelle 127 einen als

werden. 35 Rückstellimpuls bezeichneten Impuls an die gleich-

Im Stromgenerator der ersten Stufe liegt ein pnp- sinnig in Reihe geschalteten Dioden 100 und 110 der Transistor 225, dessen Basis mit dem Verbindungs- ersten Stufe und bewirkt weiterhin, daß die Rückstellpunkt zwischen den beiden gleichsinnig in Reihe ge- signalquelle 126 den Schaltungspunkt 201 des Einschalteten Tunneldioden 100 und 110 verbunden ist, gangskreises des Summierverstärkers auf negative dessen Emitter sowohl mit der Kathode einer als 40 Spannung festklemmt, so daß sichergestellt ist, daß Spannungsquelle wirksamen Tunneldiode 226 wie ein Strom mit —AI vom Verbindungspunkt der beiauch über einen Widerstand 227 mit einer negativen den Dioden 100 und 110 jeder Stufe fließt. Der Gleichspannungsquelle 228 verbunden ist und dessen Rückstellimpuls geht zum Zeitpunkt 1 zur ersten Kollektor sowohl mit dem binärbewerteten Wider- Stufe und löst in dem Umsetzer die interne Erzeugung stand R wie auch über einen Widerstand 230 mit der 45 nacheinander auftretender Rückstellimpulse aus, die Quelle 228 verbunden ist. der zweiten und dritten Stufe zu den Zeiten la bzw.

Befindet sich die untere Tunneldiode 110 im stabi- 1 b zugeführt werden.

len Zustand bei hoher Spannung, so ist der Verbin- Dann liefert zum Zeitpunkt 2 die Quelle 127 an die dungspunkt der Dioden 100 und 110 negativ gegen- erste Stufe einen zweiten, als Umsetzimpuls bezeichüber dem Emitter des Transistors 225. Letzterer leitet 50 neten Impuls, gleichzeitig geht der Ausgang der also und bildet einen niederohmigen Verbindungsweg Rückstellsignale 126 auf 0, so daß die Spannung am nach Erde, der verhindert, daß ein von der Quelle 228 Punkt 201 allein durch das umzusetzende Analogstammender Strom durch den binärbewerteten Wider- signal bestimmt werden kann. Dieser zweite oder stand R auf dem Eingangskreis des Summiertran- Umsetzimpuls löst im Umsetzer die interne Erzeusistors 207 fließt. Wird jedoch die untere Diode 110 55 gung nacheinander auftretender Umsetzimpulse aus, in den stabilen Zustand bei niedriger Spannung um- die der zweiten und der dritten Stufe zu den Zeitgeschaltet, so wird der Verbindungspunkt zwischen punkten 2 a bzw. 2 b zugeführt werden,
den Dioden 110 und 110 positiv gegenüber dem Die Verwendung von Tunneldioden für die beiden Emitter des Transistors 225. Letzterer sperrt also, gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden negativen wobei dann der Spannungsabfall an der Tunneldiode 60 Widerstands jeder Umsetzerstufe ist zwar bevorzugt, 226 als Spannungsquelle wirkt, die sicherstellt, daß es können aber auch andere spannungsgesteuerte der Transistor 225 tatsächlich sperrt. Unter diesen Zweipolanordnungen negativen Widerstands mit den Bedingungen fließt Strom über den Widerstand R in den F i g. 1B und 1C dargestellten Kennlinien und den Leiter 220 vom Knotenpunkt 202 des Ein- Verwendung finden.

gangskreises des Summiertransistors 207, wobei am 65 Zahlreiche weitere Abwandlungen sind möglich.

Punkt 202 die Summierung oder der Vergleich des An Stelle der im Ausführungsbeispiel vorgesehenen

durch das Analogsignal entstehenden Stroms mit dem Transformatorkopplung zwischen benachbarten Stu-

vom Stromgenerator der ersten Stufe stammenden fen des Umsetzers kann auch eine kapazitive oder

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eine andersgeartete Kopplung benutzt werden. Ferner können auch andere Differenzierstromerzeugungsund Summierungsverstärker-Schaltungen verwendet werden. Auch kann die Polarität der beiden gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden negativen Widerstandes umgekehrt werden, wobei dann das Vorzeichen der verschiedenen Spannungsquellen und Steuerimpulse jeder Stufe umzukehren ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Umsetzen eines Analogwerts in einen n-stelligen Binärwert unter Verwendung von η-bewerteten Stufen, von denen jede zwischen einem ersten und einem zweiten stabilen Zustand umschaltbar ist und, wenn sie sich im -zweiten Zustand befindet, ein die Bewertung dieser Stufe repräsentierendes Signal erzeugt, wobei anfänglich alle Stufen in den ersten Zustand eingestellt werden, sonach die Stufen aufeinanderfolgend in den zweiten Zustand umgeschaltet werden, die bewerteten Signale mit dem umzusetzenden Analogwert verglichen werden und, wenn der Analogwert der kleinere ist, die zuletzt umgeschaltete Stufe wieder in den ersten Zustand zurückgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das aufeinanderfolgende Umschalten eingeleitet wird durch Zuführen eines Umschaltimpulses (von 127) zur ersten Stufe, sonach dadurch fortgesetzt wird, daß, wenn eine Stufe in den zweiten Zustand umschaltet, dieselbe einen Steuerimpuls vorbestimmter Dauer (bei 114) erzeugt, dessen Rückflanke seinerseits einen Umschaltimpuls (durch 117) erzeugt und der nächsten Stufe zuführt.

2. System zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe zwei spannungsgesteuerte Dioden negativen Widerstands (110, 100) in gleichsinniger Serienschaltung und mit einer Vorspannschaltung gekoppelt aufweist, wobei letztere dafür ausgelegt

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ist, jeweils immer eine der beiden Dioden auf den den hohen Spannungen zugeordneten positiven Widerstandsbereich ihrer Kennlinie vorzuspannen und zugleich hiermit die jeweils andere Diode auf den den niedrigen Spannungen zugeordneten positiven Widerstandsbereich ihrer Kennlinie.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulserzeugungsschaltung in jeder Stufe eine in Serie mit den Dioden geschaltete Spule (114) aufweist, an der beim Umschalten der Diode ein als Steuerimpuls vorbestimmter Dauer dienender regenerierter Impuls auftritt, und daß zum Zuführen eines Umschaltimpulses an die nächste Stufe ein mit der Stufe induktiv gekoppelter Kreis (117) vorgesehen ist.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Spannungsbegrenzende Schaltanordnung (135, 136) in jeder Stufe, die parallel zu den gleichsinnig in Reihe geschalteten Dioden liegt, um eine zuverlässige Umschaltung der Dioden sicherzustellen.

5. System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Vergleich dienende Schaltungsanordnung einen Summierverstärker (120) enthält, der mit dem Verbindungspunkt zwischen den beiden Dioden (100, 110) in jeder Stufe verbunden ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Stufe ein Stromgenerator (140) zwischen dem Verbindungspunkt der Dioden (100, 110) und dem Eingang des Summierverstärkers (120) liegt und auf das Umschalten einer Stufe vom ersten in den zweiten Zustand dadurch anspricht, daß er ein die Bewertung der Stufe darstellendes Signal liefert.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1062 280;
Journal of the British IRE, August 1957, S. 407 bis 420.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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