DE2009952B2 - Pulscodemulator mit knickkennlinien-amplitudenwandler - Google Patents

Description

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gespeisten Analogsignale entsprechend der Knick- hohen Aufwands bestenfalls nur für eine sehr geringe

kennlinie vornimmt, noch keine Information darüber Anzahl von linearen Abschnitten der Knickkennlinie

besitzt, weichem linearen Abschnitt der Knickkenn- wirtschaftlich tragbar sind.

linie das Analogsignal zuzuordnen ist. Der Ampli- Ferner ist es aus dieser Literaturstelle bekannt, dem

tudenwandler muß also im wesentlichen die Funktion 5 Amplitudenwandler einen Zweiwege-Gleichrichter mit

des Grobcodierers übernehmen. eingangsseitig angeschlossenem, auf den Polaritäls-

Der Amplitudenwandler des bekannten Puls-ode- wechsel beim Nuüdurchgang der Analogspannung modulators weist insbesondere ein von einem einzigen ansprechenden, die höchstwertige Stelle des Codes Entscheider gesteuertes umschaltbares Netzwerk auf, liefernden Komparator vorzuschalten. Dabei muß das derart bemessen ist, daß den durch die linearen ip jedoch der Zweiwege-Gleichrichter infolge der Kom-Abschnitte bestimmten Amplitudenbereichen der Ana- pandierung, also wegen der besonders großen Verlogsignale am Ampliiudenwandlereingang stets ein Stärkung der kleinsten Signale, bei den kleinsten gleicher Schwankungsbereich der Analogsignale am Signalen sehr genau arbeiten, was hohe Anforderun-Amplitudenwandlerausgang zugeordnet ist. Da in den gen an den Zweiwege-Gleichrichter stellt.
Entscheider das Ausgangssignal des Netzwerks ein- 15 Schließlich besteht eine ernste Einschränkung für gespeist wird, bilden Entscheider und Netzwerk einen die bekannten Ausführungen des Amplitudenwandlers Regelkreis. Deshalb besteht die Gefahr, da ^ der Regel- darin, daß nur konstante Analogsignale vom Pulscodekreis instabil werden kann. Die Gefahr von Instabilität modulator verarbeitet werden können, weil sonst ist besonders groß, weil der einen Regelkreis dar- während der Arbeit des Amplitudenwandlers ein unter stellende Amplitudenwandler ein unstetiges Über- 20 Umständen sehr großer Unschärfefehler auftreten traguiigsverhalteii entsprechend der Kuickkennlinie würde.

und den Umschaltvorgängen hat. Ein kurzer Über- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den

schwinger nach einem Umschaltvorgang kann also Pulscodemodulator nach der Hauptpatentanmeldung,

dazu führen, daß ein weiterer Umschaltvorgang ver- der die grundlegenden Mangel des bekannten Standes

sehentlich eingeleitet wird, so daß eine nicht rück- 25 der Technik bereits überwindet, weiter zu verbessern,

gängig zu machende Falscheinstellung des Ampli- insbesondere die Verarbeitung kleiner und kleinster

tudenwandlers und gleichzeitig eine falsche Bitkombi- Analogsignale zu erleichtern,

nation am Ausgang des Grobcodierers die Folge smd. Der Pulscodemodulator der eingangs genannten Art

Da nur ein einziger Entscheider vorgesehen ist, sind ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß

zur endgültigen Einstellung des Amplitudenwandlers 30 der Grobcodierer für (m + 1)-Bits ausgelegt ist und

bis zu 2^m — 1 aufeinanderfolgende Einstellvorgänge der erste Teil des Amplitudenwandlers am Eingang

des Amplitudenwandlers notwendig, was zu einer des Pulscodemodulators mindestens zwei parallel

großen Codierzeit führt. arbeitende Abtastspeicher hat, von denen mindestens

In der erwähnten Literaturstelle sind zwei Auf- einem ein Verstärker vorgeschaltet ist, um die Analogführungen des Netzwerks des Amplitudenwamüers 35 signale kleiner Amplitude zu verstärken,
genauer beschrieben. Durch die Vorverstärkung der eingespeisten Analog-Gemäß der einen Ausführungsform muß ein zu signale kleiner Amplitude wird deren Verarbeitung codierendes Spannungssignal in einen dazu propor- wesentlich erleichtert, so daß die Genauigkeitstionalen Strom umgesetzt werden, der in einen anforderungen an den übrigen Amplitudenwandler Spannungsteiler fließt. Dieser besteht aus mehreren 40 verminder' werden können. Wegen der Abtastspeicher Widerständen, die alle bis auf einen durch Analog- können außerdem nicht konstante Analogsignale vom schalter kurzgeschlossen werden können und von Pulscodemodulator verarbeitet werden, ohne daß Konstantstromquellen gespeist werden. während der Arbeit des Amplitudenwandlers ein unter

Die andere Ausführung sieht einen ähnlichen Span- Umständen sehr großer Unschärfefehler auftritt,

nungsteiler vor, der aber von einer dem Analog- 45 Bei dem mit einem Nullkomparator versehenen

Spannungssignal proportionalen, sehr hohen Spannung Pulscodemodulator ist es vorteilhaft, daß der erste Teil

angesteuert wird. des Amplitudenwandlers den Nullkomparator und

Bei beiden Ausführungen des Netzwerks sind 2<^{m l} ·> Bereichsdiskriminatoren aufweist, deren Re-

sogenannte »schwimmende« Analogschalter erforder- ferenzspannungen den Knickpunkten der Knickkenn-

lich, die ebenso wie die benötigten Konstantstrom- 50 linie entsprechen.

quellen nur schwer mit großer Genauigkeit realisierbar Eine derartige Ausbildung hat den Vorzug, daß die

sind. Bei der ersten Ausführung tritt noch die Schwie- Bereichsdiskriminatoren, der Nullkomparator und der

rigkeit der genauen spannungsgesteuerten Strom- Grobcodierer einen Parallel-Analog-Digital-Wandler

quellen auf, während bei der zweiten Ausführung die darstellen, der für eine möglichst kurze Codierzeit

Eingangsspannung auf sehr hohe Werte (bis 512 V, 53 sorgt.

wenn der Feincodierer 0 bis 4 V braucht) verstärkt Eine bevorzugte Ausführung besteht ferner darin,

werden muß. daß sich der Zweiwege-Gleichrichter innerhalb des

Bemerkenswert ist noch, daß diese Vorgänge in sehr zweiten Teils der Amplitudenwandlers befindet und kurzer Zeil (etwa 1 p.scc) ablaufen müssen, denn bei ein vom Nullkomparator gesteuerter Gleichrichter ist. dem gegenwärtig bevorzugten 30/32-Kanal-PCM- 60 Die Anordnung des Zweiwege-Gleichrichters innerSystem stehen nur etwa 4 μϋεο als gesamte Codierzeit halb des Amplitudenwandlers ist besonders vorteilhaft, zur Verfügung, wovon jedoch nur ein Teil für den weil im Amplitudenwandler wegen der vorangegan-Amplitudenwandler reserviert werden kann. genen Verstärkung der Analogsignale im ersten Teil

Der Aufbau derartiger Spannungen bis zu etwa keine extremen Genauigkeitsforderungen mehr be-

500 V innerhalb von 1 |j.sec ist aber schaltungs- 65 stehen,

technisch nur unter großem Aufwand zu realisieren. Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß diese darin, daß vor drei Abtastspeichern drei Verstärker

beiden bekannten Amplitudenwandlcr wegen ihres mit abgestuften Verstärkungsfaktoren angeordnet sind

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und daß die Ausgangssignale der Abtastspeicher durch F i g. 5 das Schaltbild eines Grobcodierers und einer

einen ersten Auswahlschalter im zweiten Teil des Steuerlogik von F i g. 2,

Amplitudenwandlers über den Zweiwege-Gleichrichter F i g. 6 das Schaltbild des Zweiwege-Gleichrichters

in drei parallel arbeitende Operationsversärker ein- von F i g. 2 einschließlich eines Nullkomparators,

speisbar -ind, die eine Subtraktionseinrichtung und 5 F i g. 7 das Blockschaltbild eines zweiten Ausfüh-

gestufte Verstärkungsfaktoren besitzen und deren rungsbeispiels des erfindungsgemäßen Pulscodemodu-

Ausgänge über einen zweiten Auswahlschalter an den lators und

Feincodierer anschließbar sind. Bei Verwendung von F i g. 8 das Schaltbild eines Operationsverstärkers

allgemein ρ vorgeschalteten Verstärkern sind nur von F i g. 8.

2p Referenzspannungen notwendig. Ohne die Ver- io Durch den erfindungsgemäßen Pulscodemodulator

stärker müßten 2 · (2^m — 1) Referenzspannungen (für wird nicht nur eine einfache Codierung der in ihn ein-

die Bereichsdiskriminatoren) zur Verfügung stehen, gespeisten Analogsignale in Digitalsignale oder -worte

falls die linearen Abschnitte der Knickkennlinie binär durch Codierer vorgenommen, sondern auch vor der

gestufte Steigungen haben. Codierung eine Änderung der Dynamik der Analog-

Durch den jeweiligen Operationsverstärker kann 15 signale durch einen Amplitiidenwandler erreicht,
der Feincodierer mit einem Analogsignal angesteuert In F i g. 1 a ist eine Kompander-Kennlinie vollwerden, das genau den Arbeitsbereich des Feincodierers ständig gezeigt, wobei auf der Abszisse das Eingangsüberstreicht, und zwar unabhängig von dem linearen signal i/, und auf der Ordinate das Ausgangssignal U_ek Abschnitt der Knickkennlinie, dem das Analogsignal aufgetragen sind,
zugeordnet ist. ao Die Kompander-Kennlinie verläuft so, daß Analog-

Eine besonders einfache Ausbildung des Ampli- signale kleiner Amplitude zur Vergrößerung des Ab-

tudenwandlers, die aber eine ausreichend genaue stands gegenüber dem Geräusch auf Kosten der hohen

Codierung gewährleistet, besteht darin, daß zwei Ver- Signalamplituden angehoben werden, wie unmittelbar

stärkern zwei Abtastspeicher nachgeschaltet sind, aus F i g. 1 a ersichtlich ist.

deren auch über Inverter zur Verfugung stehende Aus- 25 Für das zu erläuternde Ausführimesbcispic! des

gangssignale in den ersten Teil des Amplituden- erfindungsgemäßen Pulscodemodulators >olien eine

Wandlers und in dessen zweiten Teil einspeisbar sind, sogenannte 13-Segment-Kompanderkennlinie (COM

der in Wirkungsrichtung hintereinander einen Aus- XVFrage33Temp.Doc-Nr.34vom25.^l'.biso. 10.1967,

wählschalter und einen Operationsverstärker mit herausgegeben vom CCITT) des Amplitudenwandlers umschaltbarem Verstärkungsfaktor und Subtraktions- 30 und eine 8-Bit-Codierung angenommen werden. Die

einrichtung besitzt. 13-Segment-Kennlinie stellt eine spezielle Knick-

Dabei ist es zweckmäßig, daß der Operations- kennlinie dar.

verstärker einen zwischen seinen Ausgang und seinen Die Kompander-Kennlinie läßt sich sowohl im

invertierenden Eingang geschalteten ersten Festwider- ersten als auch im dritten Quadranten in jeweils acht

stand enthält, daß an den invertierenden Eingang 35 lineare Abschnitte, also insgesamt sechzehn lineare

mehrere zweite Festwiderstände mit binär gestuften Abschnitte (in Fig. la durch Punkte begrenzt),

Widerstandswerten angeschlossen sind, die zum Um- unterteilen, die jeweils einem gleichen Bereich des

schalten des Verstärkungsfaktors über Schalter wahl- Ausgangssignals L^k entsprechen, der seinerseits m

weise an ein festes Potential legbar sind, und daß zur 16 Amphtudenstufen tinterteiit wird. (Bei der eigent-

Vornahme der Subtraktion einer der zweiten Fest- 40 liehen 13-Segment-Kcnnlinie bilden die jeweils ersten

widerstände auch an eine positive Referenzspannung beiden linearen Abschnitte zu beiden Seiten des Ko-

legbar ist. ordinatenursprungs zusammen einen eigenen Ab-

Da die Schalter mit einem Pol am festen Potential schnitt, so daß nur 6 · H 1 13 lineare Abschnitte

angeschlossen sind, können sie als bipolare Transistoren (oder Segmente) vorhanden sind, deren Steigung sich

ausgebildet sein und direkt vom Grobcodierer ge- 45 jeweils von dem Faktor 2 isntcrsc.ei-el.—as _i.dungs-

steuert werden. gesetz der Steigung ist für unseren Fall beibehalten.)

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher F i ε. 1 b zeigt genauer die ersten sechs linearen

erläutert. Es zeigt Abschnitte einschließlich der jeweils sechszehn zu-

F ig. la eine Kompander-Kennlinie eines Ampli- gehörigen Amphtudcnstufen im ersten Quadranten

tudenwandlers, 50 sowie die zugehörigen Ausgangssignale des Amph-

Fig. Ib einen Ausschnitt aus der als Knicklinie tudenwandlers. Dem Verlauf der Ausgangssignale des

ausgeführten Kompander-Kennlinie einschließlich der Amplitudenwandlers kann man entnehmen, daß der

zugehörigen Ausgangssignale des Ainplitudenwand- Amplitudenwandler in fast allen Fällen neben einer

lers über dessen Eingangssignal, Verstärkung auch eine Subtraktion ausführen muß._

Fig. Ic bis lh den Signalverlauf an verschiedenen 55 Allgemeiner gesprochen, die Kennlinie kann fur

Stellen eines ersten Ausführungsbeispiels des erfin- eine (n -t m + D-Bit-Codierung m V^{m +} > lineare

dungsgemäßen Pulscodemodulators, Abschnitte mit jeweils 2« Amphtudenstufen unterteilt

F i g. 2 das Blockschaltbild des ersten Ausführungs- werden, so daß für das betrachtete Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators, bcispiel im = - 3 und « = 4 ist.

F i g. 3 das Prinzipschaltbild von in einem Ent- 60 Es ergibt sich daraus die Möglichkeit, den Codierer

scheidernetzwerk von F i g. 2 verwendeten Bereichs- des Analog-Digital-Wandlers des erfindungsgemaßen

diskriminatoren, Pulscodemodulatorsin einen Grobcodierer für (m + I)-

Fig. 3a das Übertragungsverhalten des Bereichs- Bits oder mit (m + 1)-Stellen und in einen Fein-

diskriminators von F i g. 3, codierer für η Bits oder mit n- Stellen aufzuteilen, so

F i g. 4 das Prinzipschaltbild einer Ausführung des 65 daß im vorliegenden Spezialfall mit m = 3 ui>d π = 4

gesamten Entscheidernetzwerks von F i g. 2, jeweils ein vierstelliges oder 4-Bit-Codewort (bekannt-

F i g. 4a das Übertragungsverhalten aller Bereichs- lieh können durch 4 Bits bzw. Dualstellen alle Dezimal-

diskriminatoren und des Nullkomparators von F i g. 4, zahlen von 0 bis 15 dual dargestellt werden) von beiden

Codierern abgegeben werden. Die Aneinanderreihung positiv oder negativ ist und zu welchem der acht

dieser beiden 4-Bit-Codeworte bildet dann das end- linearen Abschnitte eines Quadranten (z. B. des ersten

gültige Codewort oder Digitalsignal am Ausgang des Quadranten) es betragsmäßig gehört.

Pulscodemodulators etnsprechend dem eingespeisten Die erste Entscheidung, ob nämlich das Analog-

Analogsignal. 5 signal positiv oder negativ ist, wird von einem zum

Genauer gesagt, der Grobcodierer stellt fest, in Entscheidernetzwerk gehörenden Nullkomparator ge-

welchen linearen Abschnitt der Knickkennlinie das troffen, von dem eine mögliche Ausführung in F i g. 6

momentan zugeführte Analogsignal fällt. Für den Fall zu sehen ist, worauf noch näher eingegangen werden

der 13-Segment-Kennlinie entsprechend der hier vor- wird.

genommenen Aufteilung in lineare Abschnitte ergeben io Für die anderen Entscheidungen, d. h. in welchem

sich dafür acht Möglichkeiten im ersten und ebenso der acht linearen Abschnitte der Knickkennlinie das

viele im dritten Quadranten, was sich durch ein 3-Bit- Analogsignal betragsmäßig liegt, sind sieben Bereichs-

Codewort und ein zusätzliches Vorzeichenbit, also diskriminatoren des Entscheidernetzwerks 9 zuständig,

insgesamt durch ein 4-Bit-Codewort ausdrücken läßt. von denen einer in F i g. 2 im Block des Entscheider-

Der Feincodierer beurteilt dann die Lage des 15 netzwerke 9 schematisch angedeutet und genauer in

Analogsignals innerhalb des vom Grobcodierer be- F i g. 3 gezeigt ist.

stimmten linearen Abschnitts, ordnet also dem Analog- Gemäß F i g. 3 kann ein derartiger Bereichssignal eine der jeweils vorhandenen 16 Amplituden- diskriminator ein Doppelkomparator 20 mit einem stufen zu. ODER-Glied 21 am Ausgang sein, das immer dann

Nach dieser Erörterung der im wesentlichen be- 20 eine logische »1« abgibt, wenn die Eingangsspannung

kannten Grundlagen des ertindungsgemäßen Puls- des Analogsignals U₁ eine bestimmte positive Re-

codemodulators sollen jetzt zwei Ausführungsbeispiele ferenzspannung +[/_r«/ (entsprechend einem positiven

von ihm beschrieben werden. Punkt der Kompander-Kennlinie) über- oder eine

Das Blockschaltbild eines ersten Ausführungs- negative Referenzspannung — U_ref mit gleichem Be-

beispiels des Pulscodemodulators ist in F i g. 2 ge- 25 trag (entsprechend einem negativen Punkt der Kom-

zeigt. Der Pulscodemodulator besteht aus einem Grob- pander-Kennlinie) unterschreitet (vergleiche F i g. 3a).

codiererblock 1 und einem nachgeschalteten Fein- Es versteht sich, daß für die einzelnen Bereichsdiskri-

codiererblock 2. Erfindungsgemäß enthält der Grob- minatoren unterschiedliche Referenzspannungen vor-

codiererblock 1 einer ersten oder Feincodierer 10 und gesehen sind.

einen Teil eines Amplitudenwandlers, während der 30 Das Entscheidernetzwerk 9, das sich aus den

Feincodiererblock 2 einen zweiten oder Feincodierer 18 Bereichsdiskriminatoren von F i g. 3 und dem NuIl-

undden übrigen Teil des Amplitudenwandlers aufweist. komparator zusammensetzt, ist in F i g. 4 abgebildet.

Durch diesen Aufbau unterscheidet sich der erfin- Das Entscheidernetzwerk von F i g. 4 arbeitet wie

dungsgemäße Pulscodemodulator grundsätzlich von folgt: Die an den Ausgängen der Abtastspeicher 6 bis 8

dem aus der deutschen Auslegeschrift 1 276 708 be- 35 auftretenden Analogspannungen U_n, U„₂ und U_S3

kannten Pulscodemodulator, bei dem sich der gesamte werden in die mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten

Amplitudenwandler in Wirkungsrichtung vor den Eingänge des Entscheidernetzwerks von F i g. 4 ein-

beiden Codierern befindet. gespeist und von dort an sieben Bereichsdiskrimina-

Das zu codierende Analogsignal wird in drei toren 30 bis 36 und einem Nullkomparator 37 weiterparallele Verstärker 3 bis 5 des Amplitudenwandlers 40 geleitet. Die Analogsignale U_n und CZ₅₂ führen auf mit gestuften Verstärkungsfaktoren (1, 4 und 16) ein- je zwei der Bereichsdiskriminatoren, nämlich 30 und gespeist. Die Verstärker 3 und 5 haben unterschied- 34 bzw. 31 und 35, mit der Referenzspannung ± U_nj liche Alissteuerbereiche, nämlich entsprechend den und ± U_Tefß. U_S3 führt auf drei der Bereichsdiskrimi-Eingangssignalen Ue, die zu den Kennlinienbereichen natoren, nämlich 32, 33 und 36, mit der Referenz- A'-A, B'-B bzw. C-C gehören (vergleiche F i g. 1 a). 45 spannung + t/r,/. + U„fl2 und + IAv r/4 und den Null-Die in den Bereich A'-A fallenden Analogsignale komparator 37, wobei U„s die Hälfte der maximalen werden also durch den Verstärker S sechzehnfach, die Eingangsspannung (entsprechend dem rechten Ende in den Bereich B'-B fallenden Analogsignale durch der Knickkennlinie) ist. Die Ausgangssignale der den Verstärker 4 vierfach und die in den Bereich C-C Bereichsdiskriminatoren 30 bis 36 werden an Ausfallenden Analogsignale durch den Verstärker 3 nur 50 gangen A₁ bis A-, abgenommen. Am Ausgang A_a des einlach verstärkt. An die Verstärker 3 bis 5 ist je einer Entscheidernetzwerks von F i g. 4 wird das Ausgangsvon drei Abtastspeichern 6 bis 8 angeschlossen. Durch signal des Nullkomparators 37 abgenommen,
die vorher erfolgte Verstärkung werden die Fehler in Die an den Ausgängen A ₀ bis A₁ auftretenden Signale den Abtastspeichern 6 bis 8 insbesondere für die in des Entscheidernetzwerks 9 werden in den Grobden Bereich A'-A fallenden schwachen eingespeisten 55 codierer 10 eingespeist, der das erste oder Vorzeichen-Analogsignale vernachlässigbar klein. Die Ausgangs- bit und das zweite bis vierte Bit erzeugt, wobei das signale an den Ausgängen der Abtastspeicher 6 bis 8 zweite bis vierte Bit den linearen Abschnitt der sind in F i g. Ic als U_n, Us₂ bzw. U_sa abgebildet. Knickkennlinie angibt, in der sich das Analogsignal

Da die an den Ausgängen der Abtastspeicher 6 bis 8 befindet. Vom Grobcodierer 10 werden auch Inforauftretenden Signale bereits verstärkt sind, wird die 60 mationen für eine nachgeschaltete Steuerlogik 11 geArbeit eines an diese Ausgänge angeschlossenen Ent- Wonnen, die bereits dem Feincodiererblock 2 zuscheidernetzwerks9 erleichtert, so daß es einen ein- gerechnet wird und zur Steuerung des in Wirkungsfacheren Aufbau haben kann. Das Entscheidernetz- richtung nur vor dem Feincodierer liegenden zweiten Tverk 9 stellt fest, in welchem der sechzehn linearen Teils des Amplitudenwandlers dient.
Abschnitte der Kompander-Kennlinie von Fig. la, 65 Eine Ausführungsform des Grobcodierers lü in. die durch die dort gezeigten Punkte voneinander Verbindung mit der Steuerlogik 11 ist in F i g. 5 zu getrennt sind, sich das Analogsignal befindet. An- sehen,
ders ausgedrückt, es ermittelt, ob das Analogsignal Die Ausgangssignale von den Ausgängen A₀ bis A

des Entscheidernetzwerks von F i g. 4 werden in Eingänge E₀ bis E₁ der Grobcodierer-Steuerlogik-Einheit von F i g. 5 eingespeist.

Das 1. bis 4. Bit werden an den ebenso gekennzeichneten Ausgängen der Einheit von F i g. 5 abgenommen, außerdem an den Ausgängen GL', GL~, KV₁, KV„, KV₃ und KV.sun sowie ES₁, ES₂ und ES₃ Steuersignale für den zweiten Teil des Amplitudenwandlers im Feincodiererblock 2 und den Feincodierer 18 selbst. Auf die Gewinnung des 1. bis 4. Bits und dieser Steuersignale soll weiter unten genauer eingegangen werden.

Das 1. bis 4. Bit sind in F i g. Id abgebildet, und zwar ähnlich F i g. la und Ic über der Spannung der Analogsignale am Eingang des Pulscodemodulators.

Ein erster Auswahlschalter 12, der an die SteuerlogikU angeschlossen ist und dessen drei Eingänge mit den Ausgängen der Analogspeicher 6 bis 8 verbunden sind, kann in eine vor. drei verschiedenen Schallstellungen durch die Steuerlogik 11 gebracht werden. In den drei Schaltstellungen (vergleiche F i g. 1 e in Verbindung mit F 1 g. Ic und 1 a) werden jeweils nur alle Signale eines der Bereiche der Analogsignale am Ausgang der Analogspeicher 6 bis 8 entsprechend den Bereichen A-A B -A und A-B; C -B und B-C der Kompander-Kennhnie (vergliche Fig. la) durchgelassen . .

Der erste AuswahlschaHer 12 besteht ebenso wie ein zweiter Auswahlschalter 17 zweckmaßigerweise aus ja drei Feldeffekttransistoren mit entsprechendem Ansteuerverstärker, wobei die Feldeffekttransistoren in Abhängigkeit vom Ansleuersignal leiten oder gcsperrt sind.

Das so durchgelassene Analogsignal gelangt meinen ebenfalls von der Steuerlogik 11 gesteuerten Zwe,-wegc-Gleichnchter 13. Genauer gesagt, die Steuerung des Zweiwege-Gleichrichters 13 wird durch die Steuerogik 11 über das erste oder Vorzeichenbit vorgenommen, das — wie bereits erwähnt — durch den Nullkomparator erzeugt wird.

F i g. 6 zeigt eine mögliche Ausführung des Zweiwese-Gleichrichters« zusammen mit dem ihn steu-

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Ausgängen Au₁, Au₂, Aw₀ an den zweiten Auswahlschalter 17 angeschlossen.

Am Ausgang des ebenfalls von der Sleuerlogik 11 gesteuerten zweiten Auswahlschalters 17 ist jedem in den Pulscodemodulalor eingespeisten Analogsignal Ue eine Amplitudenstufe U_A2 von einer der dort gezeigten sechzehn Signalgeraden zugeordnet, die jeweils einem linearen Abschnitt der Knickkennlinie entsprechen. Anders ausgedrückt, die Signalgeraden in Fig. Ig

stellen die Ausgangssignale des Amplitudenwandlers für die einzelnen linearen Abschnitte der Kennlinie dar, so daß die ersten sechs Geraden im ersten Quadranten von F i g. 1 g gleich den ersten sechs von der Abszisse ausgehenden Geraden in F i g 1 b sind.

Es ist also ersichtlich, daß erfindungsgemäß die Amplitudenumwandlung gemäß der Kompander-Kennlinie erst unmittelbar vor dem zweiten oder Feincodierer 18 beendet ist.

Der Feincodierer 18 kann ein an sich bekannter 4-Bit-Analog-Digital-Wandler sein Er erzeugt die letzten vier Bits oder Stellen des Codeworts oder der Digitaldarstellung des Analogsignal« wie aus F i g. lh hervorgeht. Dabei entsprechen jeder Signalgeraden von F i g. Ig entsprechend der Anzahl von 16 Ampii-

tudenslufen 16 verschiedene Kombinationen des 5. bis 8. Bits über der Abszisse, wie man für die jeweils drei äußersten Signalgeraden leicht nachprüfen kann. Für die innersten Signalgeraden sind die Bitdarstellungen wegen der in der Zeichnung beschränkten Auflösung

zum Teil unvollständig

Der Amplitudenwandler beim hier beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel des erfindunusgemäßen Pulscodemodulators arbeitet so genau, daß man leicht an Stelle eines 8-Bit- ein 10-Bit-Codeworl erzeugen

kann, also eine Unterteilung in mehr als !6AnTpIitudenstufen jedes linearen Ahschni κ der Kruckkenr-_{Iinic vornehmen k}'a_ni Z^mZ de-Bί-Λη Ζ

Dicital-WinHlpr ta · 1 ,ü . ί- · j- · ι ι Λ L'ifciidi-wanaier In innerhalb des Fem^-od"^'^ ocksi

für 6 Bit auslest

3™^Spiels.^deS .ernndungsgemaßen Pulscodc-

Die AnalogschalterS, und S₂ werden dabei vom Vorzeichenbit so gesteuert, daß immer ein Signal gleicher Polarität weitergeleitet wird. Die Analogschalter S₁ und S₂ können Feldeffekttransistoren sein.

Am Ausgang des Zweiwege-Gldchrichters 13 liegt eine Spannung aus einem der in F i g. If durch Geraden dargestellten Bereiche des Signals U, an. Durch den Zweiwege-Gleichrichter 12 werden also nur diejenigen Signale unngepolt, die Hn dritten Quadranten Fs sol der
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den Zweiwege-Gleichrichter 13 sind parallel drei Operationsverstärker 14 bis 16 angeschlossen, die ebenfalls von der Steuerlogik 11 gesteuert werden! Die drei Operationsverstärker 14 bis 16 haben binär gestufte Verstärkungsfaktoren (hier 8, 4 und 2) und sind jeweils mit einer auf verschiedene Subtraktion^ betrage entsprechend dem zum Analogsignal gehörenden linearen Abschnitt der Knickkennlinie umschaltbaren (beim Operationsverstärker 14 für den ersten linearen Abschnitt außerdem abschaltbaren) Subtraktionttinrichtung versehen.

Die Operationsverstärker 14 bis 16 sind mit ihren μ ""* ^{dnem NegatOr N}* "Jf 'S

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Die »1« an E₃ liegt an einem Eingang eines NAiW 'ϊ an, dessen anderer Eingang über den

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Negator Ν_β ebenfalls mit einer »1« angesteuert wird. Daher wird in einen Eingang eines NAND-Gatters C₉ eine »0« eingespeist, die ausreicht, um an dessen Ausgang eine »1« als 4. Bit auftreten zu lassen.

Vor der Erläuterung der Erzeugung der von der Steuerlogik abgegebenen Steuersignale für denselben Fall der Lage des Analogsignals ist noch die Verbindung mit dem zweiten Teil des Amplitudenwandlers zu beschreiben:

Die Ausgänge ES₁ bis ES₂ sind an den ersten Auswahlschalter 12 angeschlossen, bewirken also, daß einer der drei Abiastspeicher 6 bis 8 mit dem nachgeschalteten Zvveiwege-Gleichrichler 13 verbunden wird. Ähnlich sind die Ausgänge KV_x bis KV₃ mit dem zweiten Auswahlschalter 17 verbunden, der einen der drei Operationsverstärker 14 bis 16 an den Feincodierer 18 anschließt.

Der Ausgang KV_sui, ist an den Operationsverstärker 14 angeschlossen, um in diesem eine Subtraklionseinrichtung einzuschalten, sobald der erste lineare Abschnitt überschritten ist. Wie nämlich aus F i g. 1 b hervorgeht, muß für die Analogsignale, die auf den ersten linearen Abschnitt folgen, auch eine Subtraktion durchgeführt werden. Eine entsprechende Subtraktionseinrichtung ist bei den Operationsverstärkern 15 und 16 fest eingestellt.

^pür den hier gewählten Fall der Lage des Analogsignals erhalten wir an den Ausgängen KVj, KV₂, KV₃, KVsub sowie ES_x, ES₂ und ES₃ in gleicher Reihenfolge folgende Bits: »0«, »1«, »1«, »0«, »1«, »0«, >>1«. Die Herleitung der Werte dieser Bits vollzieht sich ähnlich wie die Herleitung des 2. bis 4. Bits für das Codewort.

Die Steuersignale bewirken im vorliegenden Fall, daß der Abtastspeicher 7 durch den ersten Auswahlschalter 12 an den zweiten Gleichrichter 13 angeschlossen und ferner der Rechenverstärker 16 durch den zweiten Auswahlschaller 17 mit dem Feincodierer 18 verbunden wird.

Die von der Einheit von F i g. 5 durchgeführten logischen Funktionen können ganz allgemein durch folgende Gleichungen in Boolescher Algebra dargestellt werden (mit · als UND-Verknüpfung und + als ODER-Verknüpfung, wobei die Signale an den Eingängen A das gleiche Bezugszeichen haben):

K-Bit = A_n

1. Bit - A₄

2. Bit = A₂- J₄

3. Bit = A₁-A₂
λ Vsub ^⁼ "i

ES₃ = A₁

ES₂ = Ai-An

A₇

ES₁ = Ai ■ (A₂ ■

Kv₁ = Z

A₆)

A_t + A,'A, + A,

KV₂ = A₂ ■ (A₁ -I₂ + A₃ - J₁ + A_s ■ A~, + A₇) KV₃ = A₂ GL+ = J₀ GL- = A₀

Die Steuersignale GL+ und GL~ dienen dabei zum Steuern des Zweiv/ege-Gleichrichters 13.

F i g. 7 zeigt, das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Pulscodemodulators mit einem gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erheblich vereinfachten Amplitudenwandler. Trotz der Vereinfachung ist die Genauigkeit dieses Pulscodemodulators völlig ausreichend für eine 8-Bit-Codierung.

Baugruppen des in F i g. 7 dargestellten Pulscodemodulators, die Baugruppen des Ausführungsbeispiels

ίο von F i g. 2 entsprechen, sind mit der gleichen Bezugszahl wie in F i g. 2 plus einer vorgestellten »2« versehen. Das Analogsignal wird in Verstärker 203 und 205 mit dem Verstärkungsfaktor 1 bzw. 16 eingespeist, an die zwei Abtastspeicher 206 bzw. 208 angeschlossen sind. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel von F i g. 2 ergibt sich also eine Verringerung der Zahl der Verstärker und der Abtastspeichcr um je Eins.

Mit jedem der Abtastspeicher 206 bzw. 208 ist ein einfacher Inverter 250 bzw. 251 verbunden, so daß ein nachfolgender vierfacher Auswahlschalter 252 immer ein positives Signal weiterleiten kann. Durch die Inverter 250 und 251 wird also die Funktion des Zweiwege-Gleichrichters 13 des Ausführungsbeispiels von F i g. 2 übernommen.

Ein Entscheidernetzwerk 209, das an die Ausgänge der Abtastspeicher 206 und 208 sowie der Inverter 250 und 251 angeschlossen ist, braucht jetzt also nur noch im ersten Quadranten zu arbeiten, so daß seine Schaltung gegenüber dem Entscheidernetzwerk 9 von F i g. 2 bzw. 4 einfacher ist. Insbesondere kann jetzt das F.ntscheidernctzwerk aus einfachen anstatt Doppelkomparatoren bestehen, außerdem erübrigt sich die negative bzw. positive Referenzspannung.

Mit dem Entscheidemelzwerk 209 ist eine Einheit von einem Grobcodierer 210 und einer davon gesteuerten Steuerlogik 211 verbunden. An den einen Ausgängen der Einheit 210, 211 werden das 1. bis 4. Bit abgenommen. Andere Ausgänge der Einheit 210, 211 steuern den Auswahlschalter 250 und einen einzigen Operationsverstärker 253 mit steuerbarer Verstärkung und Subtraktionseinrichlung, während beim Ausführungsbeispiel von F i g. 2 drei Operationsverstärker 14 bis 16 vorhanden sind.

Der Operationsverstärker 253 nimmt die restliche Amplitudenumwandlung vor.

Der Ausgang des Operationsverstärkers 40 ist an einen Feincodierer 218 in Form eines 4-Bit-Analog-Digital-Wandlers 41 angeschlossen, der das 5. bis 8. Bit des Codewortes bzw. der Digitaldarstellung des Analogsignals liefert. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird also die Amplitudenumwandlung erst unmittelbar vor dem Feincodierer 218 beendet.

Eine mögliche Ausführung des Operationsverstärkers 253 ist in F i g. 8 abgebildet.

An den invertierenden Eingang des eigentlichen Operationsverstärkers ist einerseits ein im Rückkopplungskreis liegender Widerstand A₀ und andererseits ein Netzwerk von Widerständen R₁ bis i?₄ angeschlossen, die über Schalter Sw₁ bis Sw_t an Masse lepbar sind, wobei der Widerstand R₁ auch mit einer positiven Referenzspannung+2üre/ beaufschlagbar ist. Für den Verstärkungsfaktor V gilt:

Rs + ■

— mit = >

Rs Rs ^ Rt

i (soweit Swi geschlossen) R₁ --= R₀, R₂ = RJ2, R₃ = R₀JA, A₄ = R_oß.

"^¹Aj dient als Bewertungswiderstand für die positive Referen^pännung 2U_rf/ und fühlt diese bei entsprechender ■ Lage des Schalters 5W₁ an einen Summätionspünkt P am invertierenden Eingang, wodurch eine^:-ents'prechende negative Spannung

-^iu_rer

Ra

14

am Ausgang des Operationsverstärkers erzeugt wird, damit die gewünschte Subtraktion ab dem 2. linearen Abschnitt der Knickkennlinie vorgenommen werden kann (vergleiche F i g. Ib).

Da die Schalter 5W₁ bis Sw₄ mit einem Pol an Masse angeschlossen sind (anstatt Masse kann auch ein festes Potential vorgesehen werden), ist es möglich, als Schalter bipolare Transistoren zu verwenden und diese direkt durch die Steuerlogik zu steuern.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

U; i :■',> λ

Claims (6)

gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker einen Patentansprüche: zwischen seinen Ausgang und seinen invertierenden Eingang (—) geschalteten ersten Festwiderstand

1. Pulscodemodulatox zur digitalen Codierung (R₀) enthält, daß an den invertierenden Eingang von Analogsignalen in einem (n + m + I)-BU- 5 mehrere zweite Festwiderstände (A₁ bis A₁) mit Code, mit einem Amplitudenwandler, der eine bmär gestuften Widerstandswerten angeschlossen Pressercharakteristik mit Knickkennlinie hat, die sind, die zum Umschalten des Verstärkungsaus 2<^w + ¹I linearen Abschnitten besteht, die faktors über Schalter (Sw₁ bis 6V₄) wahlweise an jeweils 2» Amplitudenstufen umfassen, wobei der ein festes Potential legbar sind, und daß zur Vor-Amplitudenwandler den durch die linearen Ab- io nähme der Subtraktion einer (A₁) der zweiten Festschnitte bestimmten Amplitudenbereichen der Ana- widerstände aych an eine positive Referenzlogsignale an seinem Eingang stets einen gleichen spannung (2 U_x^) legbar ist (F i g. 8).
Schwankungsbereich der Analogsignale an seinem

Ausgang zuordnet, mit einem Grobcodierer und

mit einem Feincodierer für η Bits, wobei der 15

Amplitudenwandler einen ersten Teil und einen
in Wirkungsrichtung nur dem Feincodierer vorgeschalteten zweiten Teil hat, der durch den ersten

Amplitudenwandlerteil und/oder den Grobcodierer Die Erfindung betrifft einen Puiscodemodulator

steuerbar ist, nach Patentanmeldung 2009953.0-31, 20 nach der Patentanmeldung 20 09 953.0-31 zur digitalen

dadurchgekennzeichnet, daßderGrob- Codierung von Analogsignalen in einem (n + m + I)-

codierer für (m + 1) Bits ausgelegt ist und der Bit-Code, mit einem Amplitudenwandler, der eine

erste Teil des Amplitudenwandlers am Eingang Pressercharakteristik mit Knickkennlinie hat, die au-

des Pulscodemodulators mindestens zwei parallel 2<^m ^ ^X) linearen Abschnitten besteht, die jeweils

arbeitende Abtastspeicher (6 bis 8; 206, 208) hat, 25 2ⁿ Amplitudenstufen umfassen, wobei der Ampli-

von denen mindestens einem ein Verstärker (3 bis tudenwandler d*;n durch die linearen Abschnitte be-

5; 203, 205) vorgeschaltet ist. um die Analog- stimmten Amplitudenbereichen der Analogsignale an

signale kleiner Amplitude zu verstärken (Fig. 2; seinem Eingang stets einen gleichen Schwankungs-

7). bereich der Analogsignale an seinem Ausgang zu-

2. Pulscodemodulator nach Anspruch 1, mit 30 ordnet, mit einem Grobcodierer und mit einem Feineinem Nullkomparator, dadurch gekennzeichnet, codierer für η Bits, wobei der Amplitudenwandler daß der erste Teil des Amplitudenwandlers den einen ersten Teil und einen in Wirkungsrichtung nur Nullkomparator (37) und 2^{(m + 1}I Bereichsdiskri- dem Feincodierer vorgeschalteten zweiten Teil hat, minatoren (30 bis 36) aufweist, deren Referenz- der durch den ersten Amplitudenwandlerteil und/oder spannungen den Knickpunkten der Knickkenn- 35 den Grobcodierer steuerbar ist.

linie (F i g. 1 b) entsprechen (Fig.?; 4). Bekannt (vgl. deutsche Auslegeschrift 1 276 708) ist

3. Pulscodemodulator nach Anspruch 1 oder 2, bereits ein Pulscodemodulator zur digitalen Codierung mit einem Zweiwege-Gleichrichter, dadurch ge- von Analogsignalen in einem (n + m + 1)-Bit-Code, kennzeichnet, daß sich der Zweiwege-Gleich- mit einem Amplitudenwandler, der eine Presserrichter (13) innerhalb des zweiten Teils des Ampli- 40 charakteristik mit Knickkennlinie hat, die aus tudenwandlers befindet und ein vom Nullkompa- 2<^{m + x}> linearen Abschnitten besteht, die jeweils rator (60) gesteuerter Gleichrichter ist. 2« Amplitudenstufen umfassen, wobei der Ampli-

4. Pulscodemodulator nach einem der vorher- tudenwandler den durch die linearen Abschnitte begehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, stimmten Amplitudenbereich der Analogsignale an daß vor drei Abtastspeichern (6 bis 8) drei Ver- 45 seinem Eingang stets einen gleichen Schwankungsstärker (3 bis 5) mit abgestuften Verstärkungs- bereich der Analogsignale an seinem Ausgang zufaktoren angeordnet sind und daß die Ausgangs- ordnet, mit einem Grobcodierer und mit einem Feinsignale (F i g. 1 c) der Abtastspeicher durch einen codierer für η Bits. In diesem bekannten Pulscodeersten Auswahlschalter (12) im zweiten Teil des modulator befindet sich am Eingang der Amplituden-Amplitudenwandlers über den Zweiwege-Gleich- 50 wandler, dessen erstem Ausgang der Feincodierer und richter (13) in drei parallel arbeitende Operations- dessen zweitem Ausgang der Grobcodierer nachverstärker (14 bis 16) einspeisbar sind, die eine geschaltet sind, wobei vom Amplitudenwandler einer-Subtraktionseinrichtung und gestufte Verstärkungs- seits das umzusetzende Analogsignal mit einer durch faktoren besitzen und deren Ausgänge über einen seine Zuordnung zu einem der linearen Abschnitte der zweiten Auswahlschalter (17) an den Feincodierer 55 Knickkennlinie vorgegebenen Verstärkung dem Fein-(18) anschließbar sind (F i g. 2). codierer und andererseits eine den gerade zur Anwen-

5. Pulscodemodulator nach Anspruch 1, da- dung gelangenden Verstärkungsgrad betreffende Indurch gekennzeichnet, daß zwei Verstärker (203, formation dem Grobcodierer zuführbar ist.

205) zwei Abtastspeicher (206, 208) η ach geschaltet Der Grobcodierer des bekannten Pulscodemodu-

sind, deren auch über Inverter (250, 251) zur Ver- 60 lators ist für m Bits ausgelegt, sein Ausgangssignal gibt

fügung stehende Ausgangssignale in den ersten also an, in welchem der linearen Abschnitte das

Teil (209) des Amplitudenwandlers und in dessen Analogsignal liegt. Dagegen zeigt das Ausgangssignal

zweiten Teil einspeisbar sind, der in Wirkungs- des Feincodierers an, welche Amplitudenstufe in dem

richtung hintereinander einen Auswahlschalter vom Grobcodierer bestimmten linearen Abschnitt der

(252) und einen Operationsverstärker (253) mit 65 Knickkennlinie dem Analogsignal zuzuordnen ist.

umschaltbarem Verstärkungsfaktor und Subtrak- Die Anordnung des Amplitudenwandlers vor den

tionseinrichtung besitzt (F i g. 7). beiden Codierern hat zunächst den Nachteil, daß der

6. Pulscodemodulator nach Anspruch 5, dadurch Amplitudenwandler, der die Umwandlung der ein-