DE2125897A1

DE2125897A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Um Setzung von digitalen in analoge Signale

Info

Publication number: DE2125897A1
Application number: DE19712125897
Authority: DE
Inventors: Bob N Wyckoff Bnnkman John D Pine Brook NJ Naydan (V St A )
Original assignee: Singer General Precision Inc
Current assignee: Singer General Precision Inc
Priority date: 1970-06-04
Filing date: 1971-05-25
Publication date: 1971-12-16
Also published as: SE381967B; US3646545A; DE2125897C2; GB1304157A; IL36757A; CA939068A; FR2094025A1; FR2094025B1; IL36757A0; JPS5629409B1

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Umsetzung von digitalen in analoge Signale

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Digital-Analog-Umsetzer und auf ein Verfahren zur Umsetzung eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen ladungsgesteuerten Digital-Analog-Umsetzer ohne Kettenleiter.

In der Elektrotechnik sind bei vielen Schaltungsausführungen analog-digitale und digital-analoge Umsetzungen erforderlich. Da elektronische Systeme zunehmend komplexer und verwickelter geworden sind, ist es zusehends schwieriger, kleine, betriebssichere und leichte Umsetzer zu schaffen. Insbesondere wird immer mehr gefordert, solche Systeme, soweit wie möglich zu subminiaturisieren und solche Umsetzer weit entfernt von Anschlüssen anzuordnen, wo eine Subminiaturisierung wesentlich ist. Ein Beispiel dafür, wo solche Umsetzer verwendet werden, sind die mehrfach ausgenützten Daten-Übertragungssysteme, um dort die Verdrahtung und damit das Gewicht erheblich zu reduzieren.

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Darüber hinaus wird dauernd versucht, einwandfreie Digital-Analog-Umsetzer zu entwickeln, die Gebrauch von der MOS-(Metalloxyd-Halbleiter-)Technologie machen, damit eine Anzahl Digital-Analog-Umsetzer zur Verfügung steht, die eine solche Technologie verwenden· Darüber hinaus ist bei solchen Umsetzern im allgemeinen ein Widerstands-Kettenleiter-Hetzwerk und ein Verstärker zur Durchführung der Decodierungskonzeption verwendet. Durch die Verwendung dieser Bauteile werden die Umsetzer sehr groß und relativ teuer und oft wird hierdurch die Zuverlässigkeit eines solchen Umsetzers erheblich herabgesetzt. Es ist möglich, daß die Größe des Kettenleiters gleich der Größe des übrigen Teils des Umsetzers istj im allgemeinen ist aber der Kettenleiter auf Grund der Herstellungsverfahren und der geforderten Genauigkeit größer. Es wird daher ständig versucht, Digital-Analog-Umsetzer unter Verwendung der MOS-Technologie zu entwickeln, bei der keine Widerstands-Kettenleiternetzwerke mehr benötigt werden.

Weiterhin sollte ein Digital-Analog-Umsetzer nicht von kritischen Bauelementen, wie beispielsweise Präzisions-• Widerständen oder -Kondensatoren abhängig sein, so daß die Schaltung auf einer einzigen, monolithischen Schaltplatte hergestellt werden kann. Bei dieser Herstellungsart werden obendrein die Betriebsgeschwindigkeiten bei niedrigem Leistungsverbrauch vergrößert.

Eine zusätzliche Schwierigkeit ergibt sich bei der Entwicklung von Digital-Analog-Umsetzern, die Integratoren verwenden, um eine Schaltung zu schaffen, in der das analoge Ausgangssignal unabhängig von den Veränderungen der Integrator-Zeitkonstante, der Verlagerungsspannung des Ausgangsverstärkers und irgendwelchen Verstärkungsschwankungen ist. Weiterhin sollte die Verwendung von angepaßten Bauele-

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menten, wie beispielsweise Widerstands- oder Kapazitätspaaren, vermieden werden und stattdessen in den Schaltungen Bauteile mit Werten verwendet werden, die große Toleranzabweichungen von den nominellen Werten besitzen können, ohne daß eine unerwartete Ungenauigkeit in dem System auftritt. Im Hinblick auf die oben angeführten Bedingungen besteht schließlich noch die Forderung, einen Umsetzer zu entwickeln, mit dem eine Mehrfach-Bit-Umsetzung bei hohen Geschwindigkeiten durchführbar ist.

Die Erfindung schafft einen Digital-Analog-Umsetzer ohne Kettenleiter, bei dem die MOS-Technologie verwendet ist und der auf einer einzigen, monolithischen Schaltplatte herstellbar ist. Insbesondere kann ein ladungsgesteuerter Digital-Analog-Umsetzer ohne Kettenleiter so ausgebildet sein, daß er eine Zwölf-Bit-Auflösung bei einer Genauigkeit von plus oder minus 0,1 % des Gesamtbereichs besitzt. Weiterhin soll der Digital-Analog-Umsetzer einen relativ niedrigen Leistungsverbrauch und einen großen Temperaturbereich aufweisen. Der Digital-Analog-Umsetzer soll so ausgebildet sein, daß er keinen Widerstandskettenleiter, keine angepaßten Bauteile und keine Komponenten mit kritischen Toleranzen besitzt. Der Digital-Analog-Umsetzer kann in Hybrid-Bauweise ausgebildet sein.

Zur Behebung und Lösung der oben angeführten Schwierigkeiten ist gemäß der Erfindung ein Digital-Analog-Umsetzer zur Umsetzung eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal vorgesehen mit einer Einrichtung zur Aufnahme eines digitalen Signals, einer Einrichtung zur Erzeugung eines ersten, das digitale Signal darstellenden, analogen Signals, einer Integrationseinrichtung zur Erzeugung eines analogen Integrator-Ausgangssignals, einer Spei-

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chereinrichtung zur Aufnahme und Speicherung eines analogen Integrator-Ausgangssignals und einer Programmeinrichtung zur wahlweisen Erzeugung des ersten analogen Signals und des analogen Integrator-Ausgangssignals, das für eine "bestimmte Zeitdauer an die Integrationseinrichtung angeschlossen ist.

Ein ladungsgesteuerter Digital-Analog-Umsetzer ohne Kettenleiter weist also eine Einrichtung zur Aufnahme eines digitalen Eingangs signals und eine Einrichtung zur Erzeugung eines analogen Signales mit einer Impulsbreite auf, die ein Teil einer vorbestimmten, maximalen oder vollen Impulsbreite ist und die die Größe des digitalen Eingangssignals darstellt, Eine Integrierschaltung dient zur Erzeugung eines analogen Integrator-Ausgangssignals, das ebenfalls das Eingangssignal repräsentiert· Es wird eine Bezugsspannung an den Eingang des Integrators für eine Zeit angelegt, die von der Impulsbreite bestimmt ist, die wiederum von der Einrichtung zur Erzeugung eines analogen Signals erzeugt wird. Auf einen Steuerbefehl hin wird das analoge Ausgangssignal des Integrators von einer Speichereinrichtung mit einem Speicherkondensator aufgenommen und gespeichert. Der Ausgang der Speichereinrichtung stellt das analoge Ausgangssignal der Umsetzerschaltung dar. Dieses Ausgangssignal ist ständig vorhanden und wird bei Jedem Umsetzungszyklus auf den neuesten Stand gebracht. Das analoge Ausgangssignal wird über eine Rückkoppelschaltung auf einen Steuerbefehl hin an den Eingang des Integrators für eine Zeitperiode geschaltet, die gleich der vollständigen Integrationszeit oder, mit anderen Worten, gleich der maximalen Impulsbreite des Impulsbreitensignals ist.

Während des Betriebs wird die Bezugsspannung zuerst an den Eingang des Integrators für eine Periode gelegt, die gleich der das digitale Eingangssignal darstellenden Impuls-

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breite ist. Nach Beendigung dieser Integration wird das Aus gangs signal des Integrators in der Speichereinrichtung aufgenommen und in sie eingespeichert. Das Aus gangs signal der Speichereinrichtung, das gleichzeitig das Ausgangssignal des Umsetzers ist, wird dann dem Eingang des Integrators für eine Zeitdauer zugeführt, die gleich der vollständigen Integrationszeit ist. Das analoge Ausgangssignal wird von dem Integrator so integriert, daß nach Beendigung dieser Integration das Signal am Ausgang des Integrators nominell gleich Hull ist. Die Differenz des Integrator-Ausgangssignals von Null stellt in diesem Fall den Fehler in dem Ausgangssignal des Umsetzers dar. Der Zyklus wird dann wiederholt und zwar beginnt er mit dem Fehlersignal am Ausgang des Integrators. Wenn das Signal an der Speichereinrichtung auf den neuesten Stand gebracht ist, dann wird das Fehlersignal zu dem Ausgangssignal in einer Sichtung addiert, um den Fehler aufzuheben. Auf diese Weise wird in aufeinanderfolgenden Zyklen der Fehler in dem Ausgangssignal einer Null angenähert. Jeder Umsetzungszyklus besteht dann aus einer Eückkopplungsphase, einer Decodierphase und einer Datenübertragungs- oder auf den neuesten Stand gebrachten Phase.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel werden die beschriebenen Verfahren bei zwei, parallelgeschalteten Umsetzerschaltungen angewendet. Die eine der Umsetzerschaltungen liefert eine analoge Darstellung der sechs höchstwertigen Bits (MSB's) des digitalen Eingangssignals, während die andere Ums et zungs schaltung ein analoges Ausgangssignal liefert, das die sechs niedrigswertigen Bits (LSB's) des digitalen Eingangssignals darstellt· Der Ausgang des LSB-Umsetzers wird ebenfalls an den Eingang des MSB-Umsetzers für eine Zeitdauer angelegt, die 1/64-tel (1/2 ) der vollständigen Integrationszeit beträgt, so daß der Ausgang

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des MSB-Umsetzers eine genaue analoge Darstellung des digitalen Eingangssignals ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in Verbindung mit der Beschreibung an Hand der anliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 ein detailliertes Schaltbild, im wesentlichen in Form eines Blockschaltbildes, eines Digital-Analog-Umsetzers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des Ausgangssignals an der Integrationsschaltung und des Ausgangssignals an dem Umsetzer als Funktion der Zeit während mehrerer, aufeinanderfolgender Umsetzungszyklen; und

Fig. 3 zwei parallelgeschaltete Digital-Analog-Umsetzer gemäß der Erfindung, um gleichzeitig zwei Mehrfach-Bit-Umsetzungen mit höherer Schaltgeschwindigkeit durchzuführen.

Der in Fig. 1 dargestellte und in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnete Digital-Analog-Umsetzer weist eine Quelle 11 für die digitalen Eingangssignale auf, die in ein analoges Ausgangssignal zu decodieren sind.' Die von der Signalquelle in Fig. 1 zugeführten Signale stellen eine'⁹ binäre Sechs-Bit-Zahl dar, die in paralleler Form zur Speicherung in einem Speicherregister 14 vorliegt. Die Speicherung der binären Signale der Quelle 11 in das Register..14 wird von einem Daten-Eingangs signal gesteuert, das an das !Register über einen Eingang 12 angelegt ist. Die Digitaldaten werden periodisch an das Register 14, wo sie aufgenommen werden, eingegeben.

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Der Umsetzer 10 kann zur Decodierung entweder von positiven oder von negativen digitalen Signalen durch Abtasten der Polarität des digitalen Signals verwendet werden, das in dem Register 14 von einem Flip-Flop 18 gespeichert wird. Durch "Verwendung einer solchen Schaltung zur Feststellung der Polarität braucht nur ein einziges Sechs-Bit-Speicherregister 14 verwendet werden und nicht jeweils ein Register für jede Polarität. Wenn das Eingangssignal positiv ist, wird ein Startsignal über eine Leitung 22 an ein Gatter 21 abgegeben. Wenn andererseits das Eingangssignal negativ ist, wird von dem Flip-Flop 12 auf eine Leitung 24 ein Startsignal an ein Gatter 23 gegeben. Wenn dann der zweite Eingang des Gatters 21 oder des Gatters 23 ein zweites Startsignal erhält, wird auf einer der Leitungen 26 bzw. 27 ein Ausgangssignal erzeugt, das in einer weiter unten erläuterten Weise verwendbar ist.

Eine Taktsignal-Quelle 30 kann mittels eines Halte/ Anlauf-Signals gesteuert, d. h. ab- und angeschaltet werden. Die Taktsignale der Taktquelle 30 werden über eine Leitung 33 einem sechsstufigen, binären Zähler 32 und über eine Leitung 35 einem Programmregister 34 zugeführt. Das Programmregister 34 liefert eine Vielzahl logischer Signale sowie Taktsignale zur Steuerung des Betriebes der verschiedenen Komponenten des Umsetzers; dies wird im einzelnen weiter unten erläutert.*

Ein Datenübertragungssi gnal wird über eine Leitung 37 einem Gatter 38 zugeführt, das, wenn es durch ein Signal auf der Leitung 37 gestartet wird, die Digitaldaten von dem Register 14 an den binären Zähler 32 überträgt. Gleichzeitig wird das Flip-Flop 18 entsprechend dem Vorzeichen der binären Zahl in dem Register 14 eingestellt.

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Eine wahlweise programmierbare, in ihrer Gesamtheit mit 41 bezeichnete Integrator-Eingangsschaltung liefert wahlweise entweder eine positive oder eine negative Eingangs spannung an die Eingangs anschlüsse 43 und 44 und damit an den Eingangsknotenpunkt 45 einer in ihrer Gesamtheit mit 46 bezeichneten Integrationsschaltung·

Die Spannung des Ausgangssignals an dem Integrator 46 wird -bei einem Steuersignal von dem Programmregister an einen Haltekondensator 47 an eine in ihrer Gesamtheit mit 48 bezeichneten Speicher- und Aufnahme schaltung übertragen. Die Speicherschaltung 48 weist einen Ausgangs-Pufferverstärker 50 auf. Der Ausgang des Pufferverstärkers ist über eine Ausgangsleitung an einen Ausgangsanschluß 49 angeschlossen, an der die analoge Ausgangssignal-Spannung des Umsetzers Ί0 anliegt, die das digitale, von der Quelle 11 zugeführte Eingangssignal darstellt.

Die an dem Anschluß 43 zugeführte negative Bezugsspannung wird einem Schalter 51 in. der Schaltung mit dem Verbindungspunkt 45 zugeführt. Eine negative Bezugsspannung ist auf Grund der dem Integrator innewohnenden Inversion erforderlich. Vorzugsweise ist der Schalter 51 ein elektronischer Schalter, beispielsweise ein Feldeffekttransistor, dessen Schalteigenschaften von einer Steuerschaltung 52 gesteuert werden, die über eine Leitung 26 mit dem Gatter 21 verbunden ist. Wenn das Gatter 21 ausgelöst ist, wird ein Startsignal auf die Leitung 26 gegeben, wodurch die Schalter-Steuerungsschaltung 52 betätigt wird und den Schalter 51 schließt. Wenn der Schalter 51 geschlossen ist, werden über den Anschluß 43 an den Verbindungspunkt' 45 und damit an den Eingang der Integrationsschaltung 46 negative Signale zugeführt. Die Zeit, während der der Schalter 51 geschlossen ist, entspricht dann der Zeit, während

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der das negative Bezugssignal an den Verbindungspunkt angelegt ist.

In ähnlicher Weise werden die an dem Anschluß 44 angelegten positiven Bezugssignale der Schaltung mit einem Schalter 54 zugeführt, der ebenfalls an den Verbindungspunkt 45 angeschlossen ist. Die Leitfähigkeit des Schalters 54 wird von der Schalter-Steuerungsschaltung 55 gesteuert, die über die Leitung 27 mit dem Gatter 23 verbunden ist. Wenn dann das Gatter 23 ausgelöst wird, wird durch ein Startsignal über die Leitung 26 die Schalter-Steuerungsschaltung 55 betätigt und das negative Bezugssignal an dem Eingangs ans chluß 44 über den Schalter 54 an den Verbindungspunkt 45 angelegt.

Das analoge Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 49 wird ebenfalls über eine Leitung 56 an den Verbindungspunkt 45 angelegt, wenn der Schalter 57 durch Betätigung der Schalter-Steuerungsschaltung 58 geschlossen ist· Die Schalter-Steuerungsschaltung 58 wird durch ein von dem Programmregister 34 auf einer Leitung 59 zugeführtesAuslösesignal betätigt.

Die Signale an dem Verbindungspunkt 45 werden über einen Eingangswiderstand 61 dem negativen Anschluß eines Funktionsverstärkers 63 zugeführt, der mit seinem positiven Anschluß an ein Bezugspotential 62 angeschlossen ist, das in dem dargestellten speziellen Ausführungsbeispiel erdpotential ist. Der Funktionsverstärker 63 weist einen integrierenden, zwischen-seinen Ausgang und seinen negativen Eingang geschalteten Kondensator 64 auf, über den eine Signalspannung an einem Aus gangs Verbindungspunkt 65 anliegt, die in analoger Form das Integral der an dem Knotenpunkt

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angelegten Signalspannung darstellt.

Das analoge Signal an dem Verbindungspunkt 65 wird von dem Haltekondensator 47 aufgenommen und gespeichert, wenn der Daten-Übertragungsschalter 70 geschlossen ist. Die Betätigung des Schalters 70 wird von der Schalter-Steuerungsschaltung 71 gesteuert, die wiederum von einem über eine Leitung 72 zugeführten Auslösesignal des Programmregisters 34 gesteuert wird.

Der Ausgang des Funktionsverstärkers 50 ist, wie bereits oben beschrieben, mit dem Aus gangs ans chluß 49 verbunden und weist eine Leitung 75 auf, die direkt den Ausgang an den negativen Eingangsanschluß des Funktionsverstärkers 50 anschließt.

Während des Betriebs decodiert die in Fig. 1 dargestellte Schaltung das digitale Signal der Eingangsquelle 11 genau in ein analoges, an dem Aus gangs ans chluß 49 anliegendes Signal durch Vergleich der Spannung-Zeit-Flächen des Ausgangssignals und des digitalen Sollsignals. Der sich ergebende Vergleich wird zur Korrektur des Ausgangssignals verwendet, bis die Flächendifferenz zwischen den zwei Spannungs-Zeit-Flächen vernachlässigbar ist. Wenn gerade ein Umsetzungszyklus beendet ist, so daß eine das digitale Eingangssignal darstellende Signal spannung an den Verbindungspunkt 65 gelegt und von dort an den Kondensator 47 übertragen worden ist, so daß damit eine auf den neuesten Stand gebrachte, das digitale Eingangssignal darstellende Signalspannung an dem Ausgangsanschluß 49 anliegt, dann werden durch ein über die Leitung 37 zugeführtes Auslösesignal von dem Programmregister 34 die in dem Register 14 gespeicherten digitalen Daten über das Gatter 38 an den Zähler 32 übertragen. Eben-*

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so wird von dem Programmregister 34 über die Leitung 59 ein Auslösesignal an die Steuerungsschaltung 58 angelegt, wodurch der Rückkopplungsschalter 57 geschlossen wird. Der Schalter 57 wird für eine Zeit T geschlossen, die gleich der vollen Integrationszeit ist, die in dem "bevorzugten Ausführungsbeispiel wiederum gleich der Zeit ist, die für 2 oder 64 Taktimpulse verstrichen ist. Die Ausgangsspannung an dem Anschluß 49 wird dann von der Integrationsschaltung 46 integriert und am Ende des Zyklus ist dann die Ausgangsspannung an der Integrationsschaltung am Verbindungspunkt 65 nominell gleich Null. Der Abfall der Ausgangsspannung der Integrationsschaltung 46 während dieser Integration, bezogen auf die Rückkopplungsphase, ist in der Kurve 80 in Fig. 2 wiedergegeben. Wenn die Ausgangssignalspannung an dem Anschluß 49 genau gleich der Ausgangssignalspannung des Integrators an dem Verbindungspunkt 65 zu Beginn dieser Integration ist, dann ist am Ende der Integration die Ausgangsspannung des Integrators an dem Verbindungspunkt 65 genau Null, wie es an der Stelle 81 in Fig. 2 wiedergegeben ist.

Wenn aber irgendein Fehler vorhanden ist, der beispielsweise auf den Schaltungsparametern oder auf dem Verstärker 50 beruht, so daß das Ausgangssignal an dem Anschluß 49 nicht gleich dem Ausgangssignal des Integrators an dem Verbindungspunkt 65 zu Beginn dieser Integration ist, dann wird die Ausgangsspannung des Integrators an dem Verbindungspunkt 65 an der Stelle 81 der Kurve in Fig. 2 nicht Null, sondern sie weist einen den Fehler darstellenden Wert auf.

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Nach Al)IaUJ* der '*..·< ix T₅ dr-r rhi J-vir. ? cn;: '¹Ij njr Stelle 81 dargestellt ist, wird über eine LeH unr i.:> vojj dem Programmregister J⁷I- ein Impuls on den Zähler >' angelegt, so daß diener "beginnt, von dom Taktgeber oO über die Leitung 35 zugeführte Sählimpulse so lange abzugeben, bis die Anza])l der gezählten Impulse gleich der anfangs in dem Zähler j (-Γφ ei chert on digitalen Zahl j Gt. Yl<mn diese Anzahl Impu]/κ; gezählt worden int, dsnn wdi^j dies von dem Proßrammregister y\- festgestellt. Beispie] nviei fp kann f:wec]fmäßigervv'ei;.;f; nr_;,? Lomplement dc-r digitalen Daten von der Quelle 11 in dem Speicher \-2 gespeichert werden mm <H3·· Programmregister $4 feststellen, nrann der sechsGtufige, binäre Zähler ein«κ maximalen Zählerstand von CA erreicht« Andererseits kann zu demselben Zweck ein Rückwärtszähler verwendet werden, in den eine binäre ZaJiI oingesj. 'Λ ohrrt und dann festgestellt wird, wann der Zählerst.anH in. dem Zähler Null erreicht. Von dem Programmregister wird ein Auslösesignal an die Leitmigen 87 und 88 angelegt, das beginnt, wenn der Zähler mit der Zählung beginnt, und das endet, wenn der Zähler eine Anzahl Taktimpulse gezählt hat, die gleich der binären, anfangs in den. Zähler eingespeicherten Zahl ist. Die Auslösesignale auf den Leitungen und 88 besitzen daher eine Impulsbreite, die proportional dem digitalen Eingang ist; die Auslösesignale liegen an den zweiten Eingängen ,jedes der Gatter 21 bzw. 23 an.

Wenn die digitalen Daten von der' Quelle 11 positiv sind, dann wird das Gatter 21 von einem Signal auf der Leitung 22 ausgelöst, während das Gatter 23 nicht ausgelöst wird, da kein Auslösesignal auf der Leitung 24 erschienen ist. Wenn dann die der Impulsbreite analogen Signale auf den Leitungen 87 und 88 erscheinen, dann liegt an der Leitung 26 ein Auslösesignal an, während auf der Lei Uong 27

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kein Auslösesignal vorhanden ist. Der Schalter 51 wird dann resciilossen, so daß die negative Bezugs spannung an dem Anschluß 44 an den Verbindungspunkfc 45 angelegt; ist. I)as Auslöneeignal auf der Leitung 26 weist eine Impulsbreite auf, die gleich der Impulsbrei be der Signale auf den Leitungen und 88 ist und damit dem digitalen Eingang entspricht;. Wenn eier digitale Eingang negativ war, würde ein der Impulsbreite analoges Signal auf der Leitung 27 erzeugt. Da das erzeugte analoge Signal auf der Leitung 26 (oder auf der Leitung 27 für negative Eingangssignale) den digitalen Eingang darstellt, v/ird die Bezugsspannung an den Eingang des Integrators für eine variable Zeitdauer angelegt, die eine Funktion des digitalen Eingangs signal s ist. Die Ausgangsspannung an dem In-"uegralor am Ende des Decodierzyklus stellt dann den digitalen Eingang dar.

Die gerade beschriebene Decodier-Phase ist in Fig. 2 durch den mit den Bezugszeichen 39 bezeichneten Teil der Kurve wiedergegeben; sie stellt die Ausgangsspannung des Integrators dar, die auf einen durch den Punkt 90 dargestellten Wert ansteigt, dessen Größe von der Größe der digitalen Zahl plus oder minus einer Fehler-Signalspannung bestimmt wird, die am Ausgang des Integrators am Ende der .Rückkopplungsphase erscheint.

Die Ausgangsspannung des Integrators 46 an dem 'Verbindungspunkt 65 wird von dem Halte-Kondensator 47 aufgenommen, wenn der Schalter 70 durch ein über die Leitung 72 an die Steuerungsschaltung 71 angelegtes Auülosesignal schließt. Die Signalübertragung ist durch den in Fig. 2 mit 91 bezeichneten Teil der Kurve dargestellt; zu dieser Zeit wird die Ausgangsspannung des Integrators von dem Kondensator 47 aufgenommen und gespeichert, so daß ein auf den

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neuesten Stand gebrachtes Ausgangssignal an dem Anschluß V--anliegt. Der nächste Übertragungszyklus beginnt dann, wenn der Rückkopplungsschalter 57 geschlossen ist und die digitalen Daten in dem Register 14 wieder an den Zähler 32 in der bereits vorher beschriebenen Weise übertragen werden.

Wenn die Aus gangs signal spannung zu Beginn der Deco=- dierphase Hull war, darm wird am Ende der Decodierphase die Ausgangssignalspannung des Integrators 63 durch die folgende Formel E. , = -^ £ nt wiedergegeben, in dei¹ E „ der

Wert der Bezugsspannung, η der Wert des digitalen Eingangs, t das Taktimpuls-Intervall und T die gesamte Integrationszeit ist; oder mit anderen Worten die maximale Impulsbreite des der Impulsbreite analogen Signals entspricht dem digitalen Eingang. Da der digitale Eingang 6 Bits besitzt, beträgt der Wert von T 2 -Taktimpuls-Intervalle. Die Größe nt stellt die Impulsbreite des Signals oder mit anderen Worten die Integrationszeit während des Decodierzyklusses dar· Wenn, wie aus der oben angeführten Gleichung zu entnehmen ist, die Bezugsspannung -Ef. für die gesamte Integrationszeit T während des Decodierzyklusses angelegt wäre, dann würde die Ausgangsspannung an den Integrator E. , von Hull auf E_re£ ansteigen. Wenn daher die Ausgangsspannung am Anschluß 49 den Integrator während der Rückkopplungsphase für die gesamte Integrationszeit T zugeführt wird, dann ändert sich die Ausgangsspannung des Integrators um einen Betrag, der gleich der Ausgangsspannung am Anschluß 49 ist. Am Ende der Rückkopplungsphase ist daher die Ausgangsspannung des Integrators gleich der Differenz zwischen der Integrator-Ausgangsspannung am Ende der Decodierphase und der Ausgangsspannung am Anschluß 49» sie stellt dann den Fehler zwischen diesen beiden Spannungswerten dar. Am Ende der näch-

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.•".·η Decoui eri-l·" if- -wirf! dann d.:i ';cf j-'V-:3j1 c-t^:- ;.i' .;;na] ί?τ·αηηυη.'·" : μ--:* :,: .-inmmg hinzuaddiert, die durch Integration der Β« ::.ugsspannung für das von dem digitalen Eingang "bestimmte ImvuJ r-L-ri jten-Intervall festcflent irjt. Wenn dann die /i""rgangr_-s] nnnung des Integrators an den Halte-Kondonnator "1'■ "ira 'on ist, dann wird die an den Ilnlt.o-1 oncencator 4? "V---rtrr· ei¹'· r.>igiialspann\3i]g von der algvialen Eingangs Kahl i,lns oder riinus der Fehlersignal-tirannunrshompojientr H¹-r_:v. \rimit, die am Atisgang des Integrators zu Beginn der De- <"'< -Seiv- hare und am linde der Eiicldcopplungo^^iane vorhanden irt. Die Fcijlersignal-Spannungsl:orr!rone2i1;e wcj.st eine solche lolarität auf, daß der Fehler in der Ausgangssignalsinnnunr: am Anschluß 4Q korrigiert viird« V/enn das System mit dem,:·eil en digitalen Eingangswert mehrere ümsetzungr;zyklon hindurch arbeitet, dann wird der Fehler durch die wiederholten Korrekturen in dem auf die "beschriebene Weise nugeiührben Ausgangssignal auf einen vernachlässigbaren Wert reduziert.

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist der zweite Unsetzungsnyklus eine Rückkopplungsphase auf, während der die Ausgangßspannung des Integrators 46 abfällt, die durch den Kurventeil 9^ dargestellt ist. Die Decodierphase des zweiten Umsetzungszyklus ist durch einen ansteigenden mit dem Bezugszeichen 95 bezeichneten Kurventeil wiedergegeben; der Daten-tbei'tragungszyklus ist mit dem Bezugszeichen 9G bezeichnet.

Der mit dem Bezugszeichen 95 bezeichnete Teil der Kurve stellt die Decodierung einer neuen digitalen Zaiii dar; das clur^h die analoge Signal-Ausgangskurve 98 gekennzeichnete Ausgangssignal steigt während des Daten-Übertragungsz7/1:lus von dem mit dem Bezugszeichen 99 gekenn-

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zeichneten Wert auf einen mit dem Bezugszeichen 100 gekennzeichneten Wert an. Wie bereits oben ausgeführt worden ist, wird jeder digitale Eingang normalerweise über mehrere Umsetzungszyklen decodiert, um den Fehler in dem Ausgangssignal auf einen vernachlässigbaren Wert herabzusetzen.

Bei dem beschriebenen Verfahren ist die Notwendigkeit zur Verwendung von kritischen Bauelementen auf ein Minimum herabgesetzt; beispielsweise sind der Integrator-Kondensator 64, der Halte-Kondensator 47 und der Puff er-Verstärker 4-8 für die Ausbildung des Umsetzers in ihrer- Größe oder ihrem Toleranzbereich, nicht kritisch. Eine solche Schaltung hat eine Auflösung von 6 Bits mit einer Genauigkeit von plus oder minus 0,1 % des Gesamtbereichs geliefert. Es wird eine Aus gangs spannung von ^_ 7 Volt verwendet, wobei der Leistungsverbrauch maximal 300 mW beträgt. Die Schaltung arbeitet in einem Temperaturbereich von -55°C bis +125°C von 0 m über dem Meeresspiegel bis zu einer Höhe von JO km über dem Meeresspiegel einwandfrei.

Wenn die Umsetzungszeit kritisch ist, weist der in Fig. 1 dargestellte Umsetzer bei der praktischen Anwendung den Nachteil auf, daß ein langer Umsetzungszyklus erforderlich ist, wenn der binäre Eingang eine große Anzahl Bits, beispielsweise 12 Bits beträgt. Die Umsetzungszeit ist (T + nt), wobei T gleich 4096 t in einem 12-Bit-System ist (da 2 = 4096 ist), wo η die digitale zu decodierende Zahl und t der Zeitraum zwischen den Taktimpulsen ist. Bei Verwendung eines 50 MHz-Taktes, was praktisch die obere Grenze bei der Herstellung von MOS-Schaltungen darstellt, würde die entsprechende, gesamte Umsetzungszeit ungefähr 200 msek. betragen, was bei vielen Anwendungsfällen zu viel ist. Bei Anwendung des vorbeschriebenen Verfahrens für die höchstwertigen 6 Bits (6 MSB) in Verbindung mit einer identischen

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Schaltung für die niedrigstwertigen Bits (6 LSB) an die gewünschte Ausgangsspannung mit einer größeren Geschwindigkeit erzeugt werden.

Mit dem in Fig. 3 dargestellten Umsetzer wird die Umsetzungsgeschwindigkeit durch Trennen der digitalen Eingangssignale in die höchstwertigen und die niedrigstwertigen Bits vergrößert. Durch gleichzeitige Durchführung der Umsetzung jedes Satzes der höchstwertigen und der niedrigstwertigen Bits gemäß der in Verbindung mit Fig. 1 "beschriebenen Erfindung und durch anschließende Zusammenfassung der Ausgänge kann die Umsetzungsgeschwindigkeit erhöht werden. Der Digital-Analog-Umsetzer zur Durchführung der Umsetzung der niedrigstwertigen Bits der digitalen Daten, der als LSB-Umsetzer bezeichnet wird, ist mit dem Bezugszeichen 110 gekennzeichnet, während der Digital-Analog-Umsetzer zur Umsetzung der höchstwertigen Bits in einem analogen Signal, der als MSB-Umsetzer bezeichnet wird, durch das Bezugszeichen 111 gekennzeichnet ist. In jedem der Umsetzer 110 und 111 werden die Schaltungskomponenten, die den beim Umsetzer gemäß Fig. 1 verwendeten Bauteilen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Das Programmregister 34- ist nicht mit all seinen Verbindungen dargestellt, so daß die Schaltungskomponenten, die in einigen Fällen zur Programmierung erforderlich sind, allgemein mit der Bezeichnung "Zum Programmregister" bezeichnet sind.

In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel gibt der Taktgeber 30 Taktsignale über eine Leitung 112 an einen MSB-Zähler 113 und über eine Leitung 114- an einen LSB-Zähler 115 ab. Eine digitale Signalquelle der Bauart, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist, gibt eine digitale 12-Bit-Zahl an eine LSB/MSB-Sehaltung 120 ab, die

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die 12-Bit-Zahl in zwei 6-Bit-Zahlen entsprechend den sechs höchstwertigen -und den sechs niedrigstwertigen Bit aufteilt. Die niedrigstwertigen Bit werden über einen Kanal 121 einer voreingestellten 6-LSB-Schaltung 122 zugeführt, die ähnlich wie der in Fig. 1 dargestellte Zähler 32 arbeitet. Eine logische Gatterschaltung 125 dient zur Feststellung der Polarität, wie bereits in Fig. 1 dargestellt ist, und gibt ein Auslösesignal auf eine der Leitungen 26 oder 27 zur Steuerung der Schalter 51 bzw. 54 ab, wie bereits vorher beschrieben.

Die höchstwertigen Bits werden über einen Kanal 130 der Schaltung 131 zugeführt, die den MSB-Zabler 113 voreinstellt. Die logische Gatterschaltung 136 in Fig. 3 gibt Auslösesignale auf die Leitungen 26 und 27 ab, wie bereits oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben ist.

Die Zeit für die 6-LSB-Umsetzung in der Schaltung 110 beträgt nur ein 1/64-stel (oder 1/2 ) der Gesamtzeit für die von dem Umsetzer 111 durchgeführte MSB-Umsetzung. Die Ausgangsspannung des LSB-Umsetzers 110 wird über eine Leitung 14-0 an den Eingang des Schalters 141 gelegt. Der Schalter 141 wird durch ein Auslösesignal von dem Programmregister gesteuert. Das Auslösesignal des Programmregisters betätigt die Schalter-Steuerung 143 und schließt den Schalter 141 für eine Taktimpulsdauer, bevor die Daten von dem Ausgang des Integrators 46 an den Halte-Kondensator 47 übertragen sind. Die Dauer eines Taktimpulses beträgt 1/2 der gesamten, vorher beschriebenen Integrationsdauer« Auf diese Weise wird der Wert der niedrigstwertigen Bits dem Integratqransgang 63 des MSB-Umsetzers 111 und damit der Ausgangs-Signal spannung dieses MSB-Umsetzers 111 hinzuaddiert.

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Die Geschwindigkeit der einzelnen Umsetzungen ist durch das in Verbindung mit Fig. 3 beschriebene Verfahren erheblich reduziert. Es kann hierdurch eine Umsetzungsgeschwindigkeit von 10 Mikrosekunden realisiert werden. Das Taktsignal von dem Taktgeber 30 liegt dann in der Größenordnung von 13 MHz, die somit erheblich niedriger liegen als die Taktsignale von ungefähr 50 MHz, die in 12-Bit-Umsetzern erforderlich sind, die nur einen einzigen Integrator verwenden, um einen Umsetzungszyklus von 200 Mikrosekunden zu erhalten.

Der beschriebene Digital-Analog-Umsetzer benötigt somit keines der herkömmlichen Kettenleiter-Netzwerke.

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Claims

Ansprüche

1/ Digital-Analog-Umsetzer zur Umsetzung eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14-) zur Aufnahme eines digitalen Signals,

eine Einrichtung (50, 32, 34-) zur Erzeugung eines ersten, das digitale Signal darstellenden, analogen Signals, eine Integrationseinrichtung (4-6) zur Erzeugung eines analogen Integrator-Ausgangssignals, eine Speichereinrichtung (4-8) zur Aufnahme und Speicherung eines analogen Integrator-Ausgangssignals, und eine Programmeinrichtung (34-) zur wahlweisen Erzeugung des ersten analogen Signals und des analogen Integrator-Aus gangs signals, das für eine bestimmte Zeitdauer an die Integrations einrichtung (4-6) angeschlossen ist·

2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme einrichtung ein Speicherregister (14-) ist.

3. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (30, 32, 34-) zur Erzeugung eines ersten analogen Signals eine Impulsbreite aufweist, die proportional dem digitalen Signal ist.

4-. Umsetzer nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines analogen Signals einen Taktgeber (30), einen Zähler (32) zur Aufnahme des digitalen Signals und eine Zähleinrichtung (34-) zur Aufnahme der Taktsignale aufweist, bis der in dem Zähler (32) gespeicherte Zählerstand einen vorbestimmten Zählerstand erreicht, so daß die Zahl der dem Zähler (32) zugeführten

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Taktsignale zur Speicherung des vorbestimmten Zählerstandes die Impulsbreite des ersten analogen Signals bestimmt.

5>. Umsetzer nach Anspruch 3j gekennzeichnet durch eine Bezugssignal-Quelle (+^E _ref) und. eine Einrichtung (41) zum Zuführen eines Bezugssignals an die Integrationseinrichtung (46) für eine Zeitdauer, die von der Impulsbreite des ersten analogen Signals bestimmt ist.

6. Umsetzer nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Bezugssignal-Quelle (-E _) eine der ersten Bezugssignal-Quelle (+^E _rej) entgegengesetzte Polarität aufweist, und daß die Einrichtung zur Erzeugung eines analogen Signals eine Schaltung (4-1) zur Feststellung der Polarität des digitalen Signals derart aufweist, daß eines der Bezugssignale wahlweise an die Integrationseinrichtung (46) zur Abgabe eines analogen Integrator-Ausgangssignals anlegbar ist, das die Größe und Polarität des digitalen Eingangssignals darstellt.

7. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmeinrichtung (34) ein Bezugssignal an die Integrationseinrichtung (46) für eine vorbestimmte Zeitdauer anlegt, die von dem ersten analogen Signal festgelegt ist, und daß sie das analoge Integrator-Ausgangssignal für eine vorbestimmte Zeitdauer an den Integrator anschließt.

8. Umsetzer nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß durch die Programmeinrichtung (34) die Aufnahme des analogen Integrator-Ausgangssignals durch die Speichereinrichtung (48) gesteuert ist.

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9. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung eine Einrichtung (111) für ein erstes digitales Signal aufweist, das die höchstwertigen Bits des digitalen Signals enthält, und daß sie eine Einrichtung (110) für ein zweites digitales Signal aufweist, das die niedrigstwertigen Bits des digitalen Signals enthält.

10. Umsetzer nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur.Erzeugung eines dritten analogen Signals, das das zweite digitale Signal darstellt, eine Integrationseinrichtung zur Erzeugung eines zweiten analogen Integrator-Ausgangssignals, eine Speichereinrichtung zur Aufnahme und Speicherung des zweiten analogen Integrator-Ausgangssignals, und eine Pro gramme inrichtung (34-) zur wahlweisen Erzeugung des zweiten analogen Signals und des zweiten analogen Integrator-Ausgangssignals, das für eine vorbestimmte Zeitdauer an die zweite Integrationseinrichtung angeschlossen ist.

11. Verfahren zur Umsetzung eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal, gekennzeichnet durch die Aufnahme eines digitalen Eingangssignals, durch die Erzeugung eines ersten analogen Signals, das die digitalen Signale darstellt, durch die Erzeugung eines zweiten analogen Signals an einem Integrator, das eine Funktion des ersten analogen Signals und des analogen Ausgangssignals ist, durch Aufnahme und Speicherung des.zweiten anale gen Signals zur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals, ■und durch wahlweise Erzeugung des or-sten analogen Signals tmd des l25.teg-rator-Ä"dsgs.iigssignals, die für "Vorbestimmte Ecitpsriodeii an den Integrator enge sohl es ε eil sine.*

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12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Aufnahme des digitalen Signals die Speicherung des digitalen Signals mitumfaßt ist.

13· Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des ersten analogen Signals die Speicherung des digitalen Signals und die Zählung einer Anzahl von Impulsen, von denen jeder eine vorbestimmte Sreite aufweist, zur Erzeugung des ersten analogen Signals beinhaltet, das eine Impulsbreite aufweist, die das digitale Eingangssignal darstellt.

Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte erste analoge Signal eine Impulsbreite aufweist, die die Größe des digitalen Signals darstellt.

15· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des zweiten analogen Signals die Integration eines Bezugssignals für eine von dem ersten analogen Signal bestimmte Zeitdauer beinhaltet.

16. Verfahren nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des zweiten analogen Signals für eine vorbestimmte Zeitdauer von der Integration des analogen Ausgangssignals festgesetzt wird.

17· Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die für eine vorbestimmte Zeit durchgeführte Integration des Integrator-Ausgangssignals die Integration des Bezugssignals in einer durch das erste analoge Signal vorbestimmten Zeit erfolgt.

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18o Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Erzeugung der Signale deren Aufnahme und
Speicherung erfolgt.

19- Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch
die Peststellung der Polarität des digitalen Signals
und der wahlweisen Zufuhr eine's Bezugssignals mit einer gegebenen Polarität.

20. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten erzeugten digitalen Signal die höchstwertigen Bits des digitalen Signals und in dem zweiten erzeugten digitalen Signa.l die niedrigstwertigen Bits
des digitalen Signals enthalten sind.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes erzeugtes analoges Signal das zweite
digitale Signal darstellt, daß ein erzeugtes viertes
analoges Signal eine Funktion des ersten analogen Signals und des dritten analogen Signals ist, und daß das vierte analoge Signal zur Schaffung eines analogen Ausgangssignals aufgenommen und gespeichert wird.

22. Digital-Analog-Umsetzer zur Umsetzung eines digitalen Eingangssignals großer Bit-Zahl in ein analoges Ausgangssignal, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (Pig. 5) zur Aufnahme des digitalen Signals großer Bit-Zahl,
durch eine Einrichtung (110) zur Erzeugung eines ersten analogen Signals, das die niedrigstwertigen Bits des digitalen Signals in analoger Weise darstellt, durch eine Einrichtung (111) zur Erzeugung eines zweiten analogen Signals, das die höchstwertigen Bits des digitalen Signals in analoger Weise darstellt und durch eine Einrich-

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tung zur Zuführung des zweiten analogen Signals an eine zweite Einrichtung in einer vorbestimmten Zeit.

23« Umsetzer nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeitdauer durch den Ausdruck 1/2^η "bestimmt ist, wobei η die Zifferanzahl der niedrigstwertigen und der höchstwertigen Bits ist.

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