DE3126380A1

DE3126380A1 - "schaltungsanordnung zum umsetzen eines analogen wechselspannungssignals in ein digitales signal"

Info

Publication number: DE3126380A1
Application number: DE3126380A
Authority: DE
Inventors: Hartmut 8051 Allershausen Bosserhoff; Ulrich 8050 Freising Joeres; Wolfgang Dr. 8054 Mauern Steinhagen
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1981-07-03
Filing date: 1981-07-03
Publication date: 1983-01-20
Also published as: US4524346A; JPS5838030A; EP0069317A1

Description

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Dipl -!no	Dipl.-Chom	Dipl.-Ing
E. Prinz	Dr. G. Hauser	G. Leiser
	FriisboigorBtfBtnr 19
	8 München 60

3. Juli 1981

TEXAS INSTRUMENTS DEUTSCHLAND GMBH
Haggertystraße 1
8050 Freising

Unser Zeichen: T 5400

Schaltungsanordnung zum Umsetzen eines analogen Wechselspannungssignals in ein digitales Signal

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung zum Umsetzen eines analogen Wechselspannungssignals in ein digitales Signal mit einer Abtastvorrichtung, die das analoge Wechselspannungssignal zyklisch abtastet und analoge Abtastwerte bildet, und einem Analog-Digital-Umsetzer zum Umsetzen der analogen Abtastwerte in digitale Abtastwerte.

Eine solche Schaltungsanordnung wird beispielsweise bei der Übertragung von als analoge Wechselspannung-vorliegenden Nachrichtensignalen unter Anwendung der Pulscodemodulation eingesetzt. Bei diesem Übertragungsverfahren werden die Nachrichtensignale abgetastet, die dadurch gebildeten analogen Abtastwerte in digitale Abtastwerte umgesetzt und die digitalen Abtastwerte der Übertragungsstrecke zugeführt. Zur verzerrungsfreien Übertragung darf dem Wechselspannungssig-

nal kein Störsignal in Form einer Gleichspannungskomponente (Offset) überlagert sein. Die für die Anwendung der Pulscodemodulation notwendige Filterung des Nachrichtensignals vor der Abtastung kann jedoch zu einer solchen störenden Gleichspannungskomponente führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß sie die Kompensation einer im umzusetzenden Signal enthaltenen Gleichspannungskomponente ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Vorzeichenintegrator, der die Vorzeichen der digitalen Abtastwerte integriert, einen Kompensationsspannungsgenerator, der abhängig vom Integrationsergebnis eine Kompensationsspannung erzeugt, und eine Kombinationsschaltung, der die Kompensationsspannung mit dem analogen Abtastwert aus der Abtastvorrichtung kombiniert und das •Kombinationsergebnis an den Analog-Digital-Umsetzer anlegt.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung enthält das Integrationsergebnis des Vorzeichenintegrator eine Aussage darüber, ob die Anzahl der positiven Abtastwerte gleich, größer oder kleiner als die Anzahl der negativen Abtastwerte ist. Die Schaltungsanordnung -bildet dabei einen Regelkreis, in dem das Integrationsergebnis zur Erzeugung einer Kompensationsspannung ausgenutzt wird, die im Sinne einer Kompensation einer im umzusetzenden Signal gegebenenfalls enthaltenen Gleichspannungskomponente mit dem analogen Abtastwert kombiniert wird. Die Schaltungsanordnung enthält ausschließlich elektronische Bauelemente, die integrierbar sind, so daß die Schaltungsanordnung in ihrer Gesamtheit als integrierte Schaltung hergestellt werden kann. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsan-

Ordnung besteht darin, daß die Kompensationsspannung in einem Warte- oder Bereitschaftsbetrieb gespeichert werden kann, so daß bei einer erneuten Aktivierung der Schaltungsanordnung nur eine kurze Einschwingzeit benötigt wird. Sie erreicht also schnell den Zustand, bei dem eine im umzusetzenden Signal enthaltene Gleichspannungskomponente kompensiert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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Die Erf induing wird anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitlichen Aufeinanderfolge der von der Steuerschaltung von Fig. 1.erzeugten Signale und

Fig. 3 eine Tabelle zur Erläuterung der Arbeitsweise des Hauptzählers von Fig. 1.

Bevor die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung beschrieben wird, sei zunächst kurz das beabsichtigte Anwendungsgebiet erläutert, da die Kenntnis dieses Anwendungsgebiets das Verständnis der zu beschreibenden Schaltungsanordnung erleichtert. Nachrichtensignale werden in zunehmendem Maße nicht in Form analoger Signale, sondern in Form digitaler Signale übertragen, wobei insbesondere von der Pulscodemodulation Gebrauch gemacht wird. Bei diesem Übertragungsverfahren wird das Analogsignal mit einer vorgegebenen Taktfrequenz abgetastet, und die dabei entstehenden Abtastwerte werden in einem Analog-Digital-Umsetzer in digitale Werte, sogenannte PCM-Wörter, umgesetzt. Diese digitalen Werte werden dann übertragen, wobei die bekannten Vorteile der digitalen Signalübertragung, beispielsweise der gute Störabstand, erzielt werden. Auf Seiten des Empfängers werden die analogen Abtastwerte durch eine Digital-Analog-Umsetzung aus den digitalen Signalen zurückgewonnen, und das ursprüngliche Signal wird dadurch erhalten, daß die Abtastwerte durch einen Tiefpaß geschickt werden. Für die unverfälschte Rückgewinnung des Analogsignals ist es erforderlich, daß die Abtastfrequenz, mit der das ursprüngliche Analogsignal abgetastet wird, min-

destens zweimal so hoch wie die höchste im Analogsignal vorkommende Frequenz ist. In der Praxis wird das Frequenzband des Analogsignals mittels eines Tiefpasses begrenzt, und die Abtastfrequenz wird dann doppelt so groß wie die höchste, von dem Tiefpaß durchgelassene Frequenz gewählt. Der zur Begrenzung des Frequenzbandes des zu übertragenden Analogsignals verwendete Tiefpaß wird vorzugsweise unter Verwendung aktiver Filter aufgebaut, die bekanntlich Operationsverstärker enthalten. Solche Aktivfilter mit Operationsverstärkern erzeugen an ihrem Ausgang eine Offsetspannung, die zur Folge hat, daß das zu übertragende Analogsignal eine unerwünschte Gleichspannungskomponente aufweist. Diese unerwünschte Gleichspannungskomponente muß vor dem Umsetzen der Abtastwerte des Analogsignals beseitigt werden, damit eine Verfälschung der Information vermieden wird. Die zu beschreibende Schaltungsanordnung gestattet die Umsetzung der Abtastwerte der Analogspannung in digitale Signale bei gleichzeitiger Kompensation einer in der Analogspannung enthaltenen Gleichspannungskomponente.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist eine Eingangsklemme 10 auf, an der ihr das zu übertragende Analogsignal zugeführt wird, nachdem dieses durch den zuvor erwähnten Tiefpaß geschickt worden ist. Die Eingangsklemme 10 ist mit einem Signaleingang 11 eines Schalters S1 verbunden, der in einer seiner Schaltstellungen, die in der Darstellung gestrichelt angegeben ist, ein an der Eingangsklemme 10 anliegendes Analogsignal einem Kondensator C1 zuführt, dessen eine Klemme mit dem Ausgang 12 des Schalters S1 verbunden ist. Die Stellung des Schalters S1 wird durch ein an seinen Steuereingang 21 anlegbares Schaltsignal bestimmt. Die andere Klemme des Kondensators C1 ist mit einem Eingang 14 eines Komparators KOM verbunden, an dessen zweitem Eingang 15 eine Klemme eines zweiten Kondensators C2 angeschlossen ist. Die andere

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Klemme dieses Kondensators C2 liegt an Masse. Zwischen dem Eingang 14 des Komparators KOM und Masse liegt ein Schalter S2, der den Eingang 14 und die daran angeschlossene Klemme des Kondensators C1 an Masse legen kann. Die Stellung des Schalters S2 wird durch ein an seinen Steuereingang 22 anlegbares Schaltsignal bestimmt. Der Ausgang 17 des Komparators KOM ist mit jeweils einem Eingang einer Reihe von UND-Schaltungen U1 bis U8 verbunden. Die anderen Eingänge dieser UND-Schaltungen U1 bis U8 sind mit Schreibsignalausgängen SS1 bis SS8 einer Steuerschaltung STS verbunden.

Der Komparator KOM ist ein mit Differenzeingang ausgestatteter Operationsverstärker, dessen Rückkopplungskreis offen ist, so daß die Spannung am Ausgang 17 einen dem Signalwert "1" zugeordneten hohen Wert hat, wenn die Spannung am Eingang 14 niedriger als die Spannung am Eingang 15 ist, während sie einen dem Signalwert "0" zugeordneten niedrigen Wert hat, wenn die Spannung am Eingang 14 höher als die Spannung am Eingang 15 ist.

Die Schaltungsanordnung enthält ferner ein Ausgangsregister A, das aus acht, jeweils von einem Flipflop gebildeten Stufen A1 bis A8 besteht. In der Zeichnung sind aus Vereinfachungsgründen nicht alle diese Stufen dargestellt, was durch die Unterbrechungen der Umfangslinien des Ausgangsregisters A zum Ausdruck gebracht worden ist.

Die' einzelnen Stufen A1 bis A8 besitzen jeweils einen Dateneingang AD, einen Takteingang ACL und einen Ausgang AQ. In der Zeichnung sind diese Anschlüsse jeweils durch Hinzufügen der Ziffern 1 bis 8 den Stufen A1 bis A8 zugeordnet. Die die einzelnen Stufen A1 bis A8 bildenden Flipflops werden jeweils in den Zustand versetzt, den das

Signal am Dateneingang AD im Zeitpunkt des Auftretens des Taktsignals am Takteingang ACL hat. Am Ausgang AQ jeder Stufe wird ein den Zustand des Flipflops repräsentierendes Signal, also entweder ein Signal mit dem Wert "O" oder ein Signal mit dem Wert "1" abgegeben. Mittels ein einem Rückstelleingang AR zugeführten Impulses kann das Ausgangsregister A zurückgestellt werden.

Mit den Dateneingängen AD der Ausgangsregisterstufen A2 bis A8 sind die Ausgänge von ODER-Schaltungen 02 bis 08 verbunden, die einen mit einem Einstellsignalausgang ES der Steuerschaltung STS verbundenen Eingang und einen mit dem Ausgang Jeweils einer UND-Schaltung U verbundenen Eingang aufweisen. Wie bereits erwähnt wurde, ist ein Eingang jeder der UND-Schaltungen U mit dem Ausgang 17 des Komparators KOM verbunden, und ein weiterer Eingang jeder dieser UND-Schaltungen ist mit einem Schreibsignalausgang SS der Steuerschaltung STS verbunden. Die zu den jeweiligen Stufen A1 bis A8 des Ausgangsregisters A gehörigen ODER-Schaltungen O, UND-Schaltungen U, Schreibsignalausgänge SS, Taktsignalausgänge TS und Einstellsignalausgänge ES sind durch die jeweils hinzugefügte Nummer der Ausgangsregisterstufe gekennzeichnet.

Die Steuerschaltung STS weist einen Haupttakteingang 18 auf, an dem sie ein der Klemme 19 zugeführtes Haupttaktsignal empfängt. An einem Ausgang SWO gibt die Steuerschaltung STS ein aus dem Haupttaktsignal gewonnenes Taktsignal ab, dessen Zweck noch erläutert wird. Die Steuerschaltung STS gibt an einem weiteren Ausgang SW1 das Schaltsignal ab,' das zur Betätigung des Schalters S1 an dessen Steuereingang 21 angelegt wird. Die Steuerschaltung STS gibt an einem weiteren Ausgang SW2 das den Schalter S2.betätigende Schaltsignal ab. Ein an einem Ausgang SW3 der Steuerschaltung STS abgegebenes Schaltsignal gelangt

zum Steuereingang 23 eines weiteren Schalters S3 und zum Steuereingang 24 eines Mehrfachschalters S4.

Die Schaltungsanordnung enthält einen Digital-Analog-Umsetzer DAU, dessen Ausgangssignal an den Signaleingang 26 des Schalters S3 angelegt ist und abhängig von dessen Schaltzustand an den Signaleingang des Schalters S1 oder an den Eingang 15 des !Comparators KOM angelegt werden kann. Der Digital-Analog-Umsetzer DAU weist Eingänge 27 auf, die das von den Ausgängen 28 des Mehrfachschalters S4 abgegebene Signal empfangen. Der Mehrfachschalter S4 schaltet je nach seiner Stellung entweder seine Signaleingänge 29 oder seine Signaleingänge 30 zu seinen Ausgängen 28 durch. Die Signaleingänge 29 des Mehrfachschalters S4 sind mit den Ausgängen AQ1 bis AQ8 des Ausgangsregisters A verbunden, wobei die Verbindungsleitung eine mehradrige Leitung ist. Somit wird der Inhalt des Ausgangsregisters A einschließlich des Vorzeichenbits parallel über den Mehrfachschalter S4 bei entsprechender Schalterstellung zum Digital-Analog-Umsetzer DAU übertragen.

Die Schaltungsanordnung enthält außerdem einen binären Vorzähler VZ mit fünf Zählerstufen VZ1 bis VZ5. Dieser Vorzähler VZ ändert seinen Zählerstand mit jedem an seinen Takteingang VZCL angelegten Taktimpuls vom Ausgang SWO der Steuerschaltung STS. Ein seinem Eingang VZU/D zugeführtes Signal, das vom' Ausgang AQ1 der Stufe A1 des Ausgangsregisters A kommt, bestimmt, ob der Vorzähler VZ aufwärts oder abwärts zählt. Mittels eines Signals am Eingang VZR kann der Vorzähler VZ zurückgestellt werden. Die Ausgänge VZQ1 bis VZQ4 des Vorzählers VZ sind mit vier Eingängen einer NOR-Schaltung N verbunden; an diesen Ausgängen VZQ1 bis VZQ4 geben die Stufen VZ1 bis VZ4 des Vorzählers VZ jeweils ein dem Stand der betreffenden Stufe entsprechendes Signal in nicht negierter Form ab. Der Ausgang VZQ5

der Zählerstufe VZ5 ist ebenfalls mit einem Eingang der NOR-Schaltung N verbunden; dieser Ausgang VZQ5 gibt ein dem Stand der Zählerstufe VZ5 entsprechendes Signal in negierter Form ab. Der Ausgang 31 der NOR-Schaltung N ist mit dem Dateneingang FFD eines Flipflops FF verbunden, das einen mit dem Eingang VZR des Vorzählers VZ verbundenen Ausgang FFQ aufweist. Das Flipflop FF weist außerdem einen Takteingang FFCL auf, der mit dem Ausgang SWO der Steuerschaltung STS verbunden ist. Der Takteingang FFCL des Flipflops FF ist so ausgebildet, daß er auf die negative Flanke eines ihm zugeführten Taktimpulses anspricht, was bedeutet, daß der am Dateneingang FFD vorhandene Signalwert mit der negativen Flanke des Taktsignals in das Flipflop FF übernommen wird.

Der Ausgang 31 der NOR-Schaltung N ist auch mit dem Takteingang HZCL eines Hauptzählers HZ verbunden, der ein üblicher Binärzähler mit zehn Zählerstufen HZ1 bis HZ1O ist. Der Hauptzähler HZ zählt abhängig von dem seinem Eingang HZU/D zugeführten Signal im Takt der seinem Takteingang HZCL zugeführten Impulse aufwärts oder abwärts. Jede Stufe des Hauptzählers HZ weist einen nicht negierenden Ausgang HZQ und einen negierenden Ausgang HZCl auf; die Zuordnung der Ausgänge zu den jeweiligen Zählerstufen HZ1 bis HZ1O ist durch Hinzufügen der der Stufenzahl entsprechenden Ziffer erkennbar.

Ein Mehrfachschalter S5 verbindet, je nach seiner Stellung, wahlweise die nicht negierenden Ausgänge HZQ oder die negierenden Ausgänge HZQ" der Zählerstufen HZ1 bis HZ9 mit den Signaleingängen 30 des Mehrfachschalters S4. Die Stellung des Mehrfachschalters S5 wird durch das an seinen Steuereingang 25 angelegte Signal bestimmt, das vom nicht negierenden Ausgang HZQ10 der Zählerstufe HZ1O kommt. Wenn

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dieses Signal den Wert "0" hat₉ nimmt der Mehrfachschalter S5 die in ausgezogenen Linien dargestellte Schaltstellung ein, in der die nicht negierenden Ausgänge HZQ1 "bis HZQ9 mit den Signaleingängen 30 des Mehrfachschalters S4 verbunden sind. Wenn dagegen dieses Signal den Wert "1" hat, verbindet der Mehrfachschalter S5 die negierenden Ausgänge HzfäT bis HZO9' mit den Signaleingängen 30 des Mehrfachschalters S4. Das Signal am negierenden Ausgang HZQ1O wird ständig zu einem zugeordneten Eingang 30 des Mehrfachschalters S4 übertragen, der zu dem Eingang 29 gehört, der das Vorzeichenbit von der Stufe A1 des Ausgangsregisters A empfängt.

Die aus dem Hauptzähler HZ und dem Mehrfachschalter S5 bestehende Anordnung stellt einen algebraischen-Binärzähler dar, der positive und negative Zahlenwerte zählen kann, wobei das in der Zählerstufe HZ10 stehende Bit das Vorzeichen angibt, während der Inhalt der neun Zählerstufen HZ1 bis HZ9 den Betrag darstellt» Der Hauptzähler HZ hat somit eine Zählkapazität von -511 bis +511 ο Es wird die Übereinkunft getroffen«, daß der Wert "1" am Ausgang HZQ10 der Zählerstufe HZ1O das positive Vorzeichen darstellt. Wenn der Wert "1" am Ausgang HZQ10 besteht^ also das Vorzeichen negativ ist, wird infolge der Umschaltung des Mehrfachschalters S5 der Zählerstand der Zählerstufen HZ1 bis HZ9 nicht von den direkten Ausgängen HZQ1 bis HZQ9, sondern von den komplementären Ausgängen HZEfT bis HZQ9 abgenommen. Dadurch wird erreicht, daß die Beträge der negativen Zahlen, ausgehend von 0„ in der gleichen dualen . Zahlendarstellung wie die Beträge der positiven Zahlen erscheinen.

Je nach der Stellung des Schalters S3 kann die vom Digital-Analog-Umsetzer DAU abgegebene Spannung dem Eingang d@s Komparators KOM oder bei entsprechender Stellung des Sehaltars S1 dem Kondensator C1 zugeführt werden. Mittels

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des Schalters S1 kann dem Kondensator C1 auch das an der Eingangsklemme 10 anliegende Analogsignal zugeführt werden, wie oben bereits erwähnt wurde.

Mit Hilfe der beschriebenen Schaltungsanordnung kann ein an der Eingangsklemme 10 als Wechselspannung vorhandenes Analogsignal in ein am Ausgang 32 abgreifbares Digitalsignal umgesetzt werden. Eine im Wechselspannungssignal enthaltene unerwünschte Offsetspannung, also eine Gleichspannungskomponente, wird durch die Schaltungsanordnung kompensiert. Wie dies erreicht wird, soll nun im einzelnen beschrieben werden.

Für die Beschreibung der Wirkungsweise sei zunächst angenommen, daß das an der Eingangsklemme 10 anliegende Analogsignal ein offsetfreies Signal ist, also keine Gleichspannungskomponente enthält. Ferner sei angenommen, daß alle Stufen des Ausgangsregisters A, des Vorzählers VZ und des Hauptzählers HZ den Inhalt "0" haben, und daß sich die Schalter S1, S2, S3, S4 und S5 in den mit ausgezogenen Linien angegebenen Schaltstellungen befinden.

Die Folge der anschließend erwähnten, von der Steuerschaltung STS im Verlauf eines Abtastzyklus abgegebenen Impulse ist in dem Diagramm von Fig. 2 angegeben. Dabei sind am linken Rand jeweils die Bezugszeichen der Ausgänge angegeben, an denen die Impulse erscheinen. Zur Vereinfachung werden die Impulse mit den gleichen isezugszeichen bezeichnet. Die Steuerschaltung STS erzeugt diese Impulse unter der Synchronisation durch das ihrem Haupttakteingang 18 zugeführte Taktsignal.

Vor dem Beginn des Abtastzyklus gibt die Steuerschaltung STS am Ausgang SW3 einen Impuls ab, der als Schaltsignal zum

Steuereingang 23 des Schalters S3 und zum Steuereingang des Mehrfachschalters S4 übertragen wird, so daß diese beiden Schalter in ihre jeweils mit gestrichelten Linien angegebenen Schaltstellungen umgeschaltet werden. Der Schalter S3 verbindet in dieser Schaltstellung den Ausgang des Digital-Analog-Umsetzers DAU mit dem Eingang 15 des !Comparators KOM, und der Mehrfachschalter S4 verbindet in dieser Schaltstellung die mit den Signaleingängen 30 verbundenen Ausgänge des Hauptzählers HZ mit den Eingängen 27 des Digital-Analog-Umsetzers DAU. Unter den gegebenen Anfangsbedingungen sind die Ausgänge H2Q1 bis HZQ9 über die Mehrfachschalter S5 und S4 mit dem Digital-Analog-Umsetzer DAU verbunden, weil die Stufe HZ1O des Hauptzählers HZ den Inhalt "0" hat, so daß der Mehrfachschalter S5 die mit vollen Linien gezichnete Schaltstellung einnimmt. Der Digital-Analog-Umsetzer DAU empfängt an seinen Eingängen somit eine durch digitale Signale dargestellte Zahl mit positivem Vorzeichen und dem Betrag Null, die er in eine Kompensationsspannung mit dem Wert 0 V umsetzt und an den Eingang 15 des comparators KOM anlegt. Der Kondensator C2 speichert den vom Digital-Analog-Umsetzer DAU an den Komparatoreingang 15 angelegten Spannungswert für die ganze Dauer des Abtastzyklus, wenn der Schalter S3 nach dem Endes des Schaltimpulses SW3 wieder in die mit voller Linie dargestellte Schaltstellung zurückgegangen ist.

Gleichseitig mit dem Schalter S3 geht auch der Mehrfachschalter S4 am Ende des Schaltimpulses SW3 in die mit vollen Linien dargestellte Stellung zurück. Dadurch werden die Ausgänge AQ1 bis AQ8 des Ausgangsregisters A mit den Eingängen 27 des Digital-Analog-Umsetzers DAU verbunden,, Da zunächst alle Stufen A1 bis A8 des Ausgangsregisters A den Zustand "0" haben, gibt der Digital-Analog-Umsetzer DAU an seinem Ausgang eine Spannung mit dem Wert 0 V ab, die über den Sehalter S3 zum Signaleingang 13 des Schal-

ters S1 übertragen wird.

Wie das Impulsdiagramm von Fig. 2 erkennen läßt, wird am Besinn, des Abtastzyklus von der Steuerschaltung STS ein Impuls SW1 erzeugt, der zum Steuereingang 21 des Schalters S1 gelangt, so daß dieser Schalter in die mit gestrichelten Linien angegebene Schaltstellung umschaltet und die seinem Signaleingang 11 zugeführte Analogspannung von der Eingangsklemme 10 zu seinem Ausgang 12 und somit zum Kondensator C1 überträgt. Gleichzeitig mit dem Impuls SW1 erzeugt die Steuerschaltung STS auch einen Impuls SW2, der den Schalter S2 scnließt, so daß die mit dem Eingang 14 des !Comparators KOM verbundene Klemme des Kondensators C1 an Masse gelegt wird. Dieser Kondensator C1 wird dadurch auf die am Ende des Impulses SW2 an der Eingangsklemme 10 anliegende Analogspannung aufgeladen. Es sei angenommen, daß die Analogspannung an der Eingangsklemme 10 im Zeitpunkt ihrer Abtastung einen positiven Wert hat.

Mit der Beendigung des Impulses SW2 wird der Schalter S2 geöffnet. Die auf dem Kondensator C1 gespeicherte Spannung stellt dann den Abtastwert der Analogspannung dar, der für die ganze Dauer des Abtastzyklus bis zum nächsten Schließen des Schalters S2 erhalten .bleibt, weil sich die Ladung des Kondensators über den hochohmigen Eingang des Komparators KOM nicht ändern kann. Der Impuls SW2 endet vorzugweise früher als der Impuls SW1, damit ein. Entladen des Kondensators C1. vermieden wird. Der Schalter S1 kehrt mit der Beendigung des Schaltimpulses SW1 ebenfalls wieder in seine mit voller Linie dargestellte Schaltstellung zurück. Dies hat zur Folge, daß nun am Eingang 14 des Komparators KOM eine Spannung anliegt, die der Differenz der am Signaleingang 13 anliegenden Spannung und dem auf dem Kondensator C1 gespeicherten Abtastwert entspricht. Wie erwähnt, gibt der Digital-Analog-

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Umsetzer DAU in diesem Stadium an seinem Ausgang eine Spannung mit dem Wert 0 V ab, die über den Schalter S3 zum Signaleingang 13 übertragen wird. Der Komparator KOM empfängt somit am Eingang 14 eine negative Spannung mit dem.Betrag des Abtastwertes, während am Eingang 15 die auf dem Kondensator C2 gespeicherte Kompensationsspannung von O V anliegt. Da somit die Spannung am Eingang 15 höher als die Spannung am Eingang 14 ist, gibt der Komparator KOM an einem Ausgang 17 ein Signal mit dem Wert "1" ab. Mit diesem vom Komparator KOM durchgeführten ersten Vergleich kann das Vorzeichen der vom Schalter S1 an der Eingangsklemme 10 abgetasteten Analogspannung festegestellt werden.

Das am Ausgang 17 des Komparators KOM erscheinende Signal mit dem Wert "1" gelangt zu einem Eingang jeder der UND-Schaltungen U1 bis U8, wie aus Fig. 1 zu erkennen ist. Das Impulsdiagramm von Fig. 2 zeigt, daß die Steuerschaltung STS nun an ihrem Schreibsignalausgang SS1 und an ihrem Taktsignalausgang TS1 gleichzeitig einen Impuls abgibt. Diese Impulse haben zur Folge, daß die Stufe A1 des Ausgangsregisters A auf den Stand "1" gesetzt wird, so daß am Ausgang AQ1 dieser Stufe ein Signal mit dem Wert."1" abgegeben wird. Die Stufe A1 enthält das Vorzeichen-Bit der digitalen Information im Ausgangsregister A; im geschilderten Fall bedeutet der Wert "1" in der Stufe A1 ein positives Vorzeichen der abgetasteten Analogspannung. Das Signal am Ausgang AQ1 gelangt zum Eingang VZU/D des Vorzählers VZ und zum Eingang HZU/D des Hauptzählers HZ. Die beiden Zähler werden von diesem Signal in den Aufwärtszählbetrieb eingestellt.

Die Steuerschaltung STS gibt nun an ihren Ausgängen ES2 bis ES8, SS2 bis SS8 und TS2 bis TS8 in der aus dem Impulsdiagramm von Fig. 2 erkennbaren zeitlichen Folge Impulse ab, die die quantisierte Bestimmung der am Eingang 14 des Korn-

parators KOM anliegenden Analogspannung und deren Umsetzung in einen digitalen Wert im Ausgangsregister A ermöglichen.

Zunächst gibt die Steuerschaltung STS am Ausgang ES2 einen Impuls ab, der über die ODER-Schaltung 02 an den Dateneingang AD2 der Stufe A2 des Ausgangsregisters A gelangt. Gleichzeitig mit dem Impuls am Ausgang ES2 erscheint am Ausgang TS2 ein Impuls, der an den Takteingang AC12 des Ausgangsregisters A gelangt und bewirkt, daß die Stufe A2 in den Zustand "1" gesetzt wird. Das Ausgangsregister A enthält nun in seiner Stufe A1, die die das Vorzeichen der an der Eingangsklemme 10 abgetasteten Analogspannung kennzeichnende Information enthält, sowie in der Stufe A2 jeweils den Signalwert "1", während alle anderen Stufen den Signalwert "0" enthalten. Da sich der Mehrfachschalter S4, wie oben erwähnt wurde, in der mit voller Linie dargestellten Schaltstellung befindet, gelangt das im Ausgangsregister A enthaltene digitale Signal zürn Digital-Analog-Umsetzer DAU, der es in eine analoge Spannung umsetzt, die den dem höchsten binären'"Stellenwert zugeordneten Betrag und das in der Stufe A1 gespeicherte Vorzeichen hat, im angenommenen Fall also positiv ist. Diese Spannung wird über die Schalter S3 und S1 zum Kondensator C1 übertragen. Am Eingang 14 des Komparators KOM erscheint somit eine Spannung, die der Differenz des auf dem Kondensator C1 gespeicherten Abtastwerts und der nun vom Digital-Analog-Umsetzer DAU abgegebenen Spannung entspricht. Wenn die am Eingang 14 anliegende Spannung immer noch niedriger als die Spannung von 0 V am Eingang 15 des Komparators KOM ist, gibt der Komparator KOM am Ausgang 17 wieder ein Signal mit dem Wert "1" ab, das an jeweils einen Eingang der UND-Schaltungen U1 bis U8 gelangt. Die Steuerschaltung STS gibt jetzt an ihren Ausgängen SS2 und TS2 einen Impuls ab, was zur Folge hat, daß die UND-Schaltung U2 ein

Signal mit dem Wert "1" abgibt, das über die ODER-Schaltung 02 zum Dateneingang AD2 der Stufe A2 des Ausgangsregisters A gelangt. Der dem Takteingang ACL2 der Stufe A2 zugeführte Impuls bewirkt die Übernahme der am Dateneingang AD2 anliegenden Information in die Stufe A2 des Ausgangsregisters A₅ doch hat dies im geschilderten Beispiel keine Wirkung, da in dieser Stufe A2 bereits ein Signal mit dem Wert "1" gespeichert war.

Nun erscheint am Ausgang ES3 der Steuerschaltung STS ein Impuls, der über die ODER-Schaltung 03 zum Dateneingang AD3 der Stufe A3 des Ausgangsregisters A gelangt. Mit dem gleichzeitig erscheinenden Taktimpuls am Ausgang TS3 der Steuerschaltung STS wird die Stufe A3 in den Zustand "1" gesetzt. Die nach diesem Schritt im Ausgangsregister A3 enthaltene digitale Information wird wieder vom Digital-Analog-Umsetzer DAU in eine Analogspannung umgesetzt, die an den Kondensator C1 angelegt wird. Am Eingang 14 des !Comparators KOM ergibt sich dabei die Differenz zwischen dem auf dem Kondensator C1 gespeicherten Abtastwert und dem Spannungswert aus dem Digital-Analog-Umsetzer DAU. Es sei angenommen, daß die Spannung am Eingang 14 nun höher als die Spannung am Eingang 15 ist, was zur Folge hat, daß der Komparator KOM an seinem Ausgang 17 ein Signal mit dem Wert "0" abgibt. Dieses Signal gelangt an die angeschlossenen Eingänge der UND-Schaltungen U1 bis U8. Die Steuerschaltung STS gibt nun an den Ausgängen SS3 und TS3 einen Impuls ab, wobei der Impuls am Ausgang TS3 bewirkt, daß der am Dateneingang AD3 vorhandene Signalwert in die Stufe A3 des Ausgangsregisters übernommen wird. Da am Eingang der UND-Schaltung U3 der Signalwert "0" vorhanden ist, gibt die UND-Schaltung an ihrem Ausgang ein Signal mit dem Wert "0" ab, das über die ODER-Schaltung 03 zum Dateneingang AD3 gelangt. In di© Stufe A3 des Ausgangsregisters A wird daher der Wert "0" geschrieben.

Nun werden nacheinander die übrigen Stufen des Ausgangsregisters A in der geschilderten Weise auf den Wert "1" gesetzt, worauf vom Digital-Analog-Umsetzer DAU eine der Information im Ausgangsregister A entsprechende Analogspannung erzeugt wird, die dann an den Kondensator C1 angelegt wird. Der Komparator KOM vergleicht dann die an seinen Eingängen 14 und 15 anliegenden Analogspannungen miteinander. Abhängig davon, ob die Spannung am Eingang oder am Eingang 15 höher ist, gibt der Komparator KOM an seinem Ausgang 17 ein Signal mit dem Wert "0" oder "1" ab, das in die jeweils zuletzt von der Steuerschaltung STS auf den Wert "1" gesetzte Stufe des Ausgangsregisters A geschrieben wird. Nachdem die letzte Stufe A8 des Ausgangsregisters A von der Steuerschaltung STS auf den Wert "1" gesetzt worden ist und in die Stufe A8 das am Ausgang 17 des Komparators KOM erscheinende Ausgangssignal eingegeben worden ist, enthält das Ausgangsregister A den der an der Eingangklemme 10 abgetasteten Analogspannung entsprechenden Digitalwert, der am Ausgang 32 für die weitere Verarbeitung entnommen werden kann.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausgangsregister besteht aus acht Stufen A1 bis A8, von denen die erste das Vorzeichen des im Ausgangsregister gespeicherten digitalen Zahlenwerts angibt, während die Stufen A2 bis A8 den Betrag des Zahlenwerts enthalten. Dies bedeutet, daß für die an der Eingangsklemme 10 anliegende Analogspannung insgesamt 128 Quantisierungsstufen zur Verfügung stehen. Wenn beispielsweise die Analogspannung an der Eingangsklemme 10 Werte zwischen +2,5 V und - 2,5 V haben kann, dann entspricht bei linearer Umsetzung der kleinste Quantisierungsschritt, der durch das niedrigstwertige Bit in der Stufe A8 des Ausgangsregisters A ausgedrückt werden kann, 0,0195 V.

Nach der vollständigen Umsetzung der an der Eingangsklemme

abgetasteten Analogspannung in einen entsprechenden Digitalwert im Ausgangsregister A und der Entnahme dieses Digitalwerts gibt die Steuerschaltung STS vor dem Beginn des nächsten Abtastzyklus am Ausgang SWO einen Impuls ab, der zum Eingang VZCL des Vorzählers VZ gelangt, so daß dieser vom Stand "0" in den Stand "1" fortgeschaltet wird, da er wegen des Signalwerts "1" in der Stufe A1 des Ausgangsregisters A in den Aufwärtszählbetrieb geschaltet ist. Der gleiche Impuls SWO wird über eine Verzögerungsschaltung an den Rückstelleingang AR des Ausgangsregisters A angelegt, wodurch alle Stufen A1 bis A8 auf "0" zurückgestellt werden.

Vor dem Beginn des nächsten Abtastzyklus wird wieder ein Impuls am Ausgang SW3 der Steuerschaltung STS abgegeben, der die Schalter S3 und S4 in die mit gestrichelten Linien dargestellten Schaltstellungen bringt. In diesen Schaltstellungen empfängt der Digital-Analog-Umsetzer DAU über den Schalter S4 die im Hauptzähler HZ enthaltene Information, und er legt eine dieser Information entsprechende Kompensationsspannung an den Eingang 15 des Komparators KOM an. Da sich der Stand des Hauptzählers HZ in der Zwischenzeit nicht geändert hat, wird an den Eingang 15 des Komparators KOM wieder die Spannung 0 V angelegt, die am Kondensator C2 gespeichert wird.

Eine Änderung des Zählerstandes des Hauptzählers HZ erfolgt durch jedes vom Ausgang 31 der NOR-Schaltung N abgegebene Signal des Wertes "1". Die NOR-Schaltung N gibt jedesmal dann ein Signal "1" ab, wenn in den Zählerstuf en VZ1 bis VZ4 der Wert "0" und in der Zähler stufe VZ5 der Wert "1" steht; sie bildet also einen Decodierer, der das Erreichen des Zählerstandes "16" im Vorzähler VZ feststellt.

Durch das Vorschalten des Vorzählers VZ und der NOR-Schal-

tung N vor den Hauptzähler HZ soll erreicht werden, daß sich der Zählerstand des Hauptzählers HZ nur dann ändert, wenn die an der Eingangsklemme 10 anliegende Analogspannung offsetbehaftet und noch nicht kompensiert ist.Wenn die an die Eingangsklemme 10 angelegte Analogspannung völlig offsetfrei ist, also keinen Gleichspannungsanteil enthält, haben die vom Schalter S1 abgetasteten Analogspannungswerte über eine größere Anzahl von Perioden der Analogspannung betrachtet, ebenso viele positive wie negative Werte. Die Stufe A1 des Ausgangsregisters A, in der das das Vorzeichen der umgesetzten digitalen Information repräsentierende Bit gespeichert ist, enthält daher über einen längeren Zeitraum betrachtet, ebenso oft den Wert "1" (entsprechend einem positiven Wert der abgetasteten Analogspannung) wie den Wert "0" (entsprechend einem negativen Wert der abgetasteten Analogspannung). Da die in der Stufe ^A1 enthaltene Information die Zählrichtung des Vorzählers VZ bestimmt, erreicht der Vorzähler VZ nie den Zählerstand, bei dem die NOR-Schaltung N ein Signal "1" abgibt, wenn die Bedingung eingehalten ist, daß dieser Zählerstand größer als die größte vorkommende Anzahl der in einer Halbperiode der Analogspannung gebildeten Abtastwerte ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel erfolgt das Erreichen des Zählerstandes bei gleichbleibender Zählrichtung mit dem 16. Taktimpuls am Takteingang VZCL; die Analogspannung an der Eingangsklemme 10 darf also in der längsten vorkommenden Halbperiode nicht öfter als sechzehnmal abgetastet werden, oder, anders betrachtet, die Frequenz der Analogspannung darf einen entsprechenden unteren Grenzwert nicht unterschreiten.

Da der Hauptzähler HZ nur dann einen Impuls empfängt und seinen Zählerstand ändert, wenn im Vorzähler VZ der Zählerstand "16" erreicht wird, die NOR-Schaltung N also

einen Ausgangsimpuls am Ausgang 31 abgibt, wird im angenommenen Fall einer offsetfreien Analogspannung der Stand des Hauptzählers HZ nicht verändert. Dieser Zählerstand des Vorzählers VZ wird nämlich nicht erreicht, da der Vorzähler VZ wegen der auftretenden gleichen Anzahl positiver und negativer Abtastwerte stets abwechselnd aufwärts und abwärts zählt und dabei die Zählrichtung bereits ändert, ehe der Zählerstand "16" auftritt. Der unveränderte Stand des Hauptzählers HZ bedeutet, daß vor Beginn jedes Abtastzyklus vom Digital-Analog-Umsetzer DAU stets die gleiche Kompensationsspannung mit dem Wert O V an den Eingang 15 des Komparators KOM angelegt wird»

Die obige Schilderung betraf die Umsetzung einer offsetfreien Analogspannung an der Eingangsklemme 10 in eine am Ausgang 32 abgreifbare Folge digitaler Abtastwerte. Solche offsetfreien Analogspannungen treten jedoch in der Praxis kaum auf, da, wie einleitend bereits geschildert wurde, die Analogspannung vor der Anlegung an die Eingangsklemme 10 zur Erfüllung des Shannonschen Abtasttheorems durch Tiefpaßfilter geschickt wird= Diese Tiefpaßfilter, die in integrierbaren Schaltungen als aktive Filter ausgebildet sind, können zur Erzeugung einer unerwünschten Gleichspannungskomponente der umzusetzenden Wechselspannung führen. Darüber hinaus können auch andere Teile der Schaltungs beispielsweise der Komparator KOM, zum Entstehen dieser unerwünschten Gleichspannungskomponente beitragen. Wie sich die in Fig. 1 dargestellte Schaltungsanordnung bei der Umsetzung von Analogspannungssignalen mit Gleichspannungskomponente und insbesondere bei der Kompensation dieser unerwünschten Gleichspannungskomponente verhält, wird nun erläutert.

Es sei angenommen, daß die der Eingangsklemme 10 zugeführte Analogspannung eine positive Gleichspannungskomponente enthält. Wie bereits beim obigen Beispiel erfolgt in einem ersten Schritt die Bildung eines Abtastwertes

der Analogspannung durch Umschalten des Schalters S1 mittels eines Impulses, dan die Steuerschaltung STS am Ausgang SW1 abgibt. Dieser .Abtastwert wird in der gleichen Weise, wie oben ausführlich geschildert wurde, in einen entsprechenden digitalen Wert im Ausgangsregister A umgesetzt. Anfänglich liegt dabei wie zuvor am Eingang 15 des Komparators KOM die Spannung 0 V, da der Digital-Analog-Umsetzer DAU diese Spannung aus der im Hauptzähler HZ enthaltenen Information erzeugt hat, dessen Inhalt anfänglich auf den Wert "0" gestellt worden ist. Wegen der positiven Gleichspannungskomponente in der Analogspannung an der Eingangsklemme 10 werden über eine größere Anzahl von Perioden der Analogspannung gesehen, mehr positive als negative Abtastwerte am Kondensator C1 auftreten, so daß das Vorzeichen-Bit in der Stufe A1 des Ausgangsregisters A öfter den das positive Vorzeichen anzeigenden Wert "1" als den das negative Vorzeichen anzeigenden Wert "0" annimmt. Dies hat zur Folge, daß der Vorzähler VZ vom Bit der Stufe A1 öfter in den Aufwärtszählbetrieb als in den Abwärtszählbetrieb geschaltet wird. Über einen längeren Zeitraum gesehen wird der Vorzähler VZ aufgrund der Fortschaltung durch Taktsignale an seinem Eingang VZCL schließlich vom Zählerstand "15" (01111) in den Zählerstand "16"

(10000) übergehen, was die Abgabe eines Signals "1" am Ausgang der NOR-Schaltung N zur Folge hat. ·

Die entsprechende Wirkung tritt ein, wenn die Anzahl der negativen Abtastwerte überwiegt, so daß der Vorzähler VZ öfter in den Abwärtszählbetrieb als in den Aufwärtszählbetrieb geschaltet wird. Beim ersten überwiegenden negativen Vorzeichen geht der Vorzähler VZ vom Zählerstand "0" (00000) abwärts in den Zählerstand "31" (11111) über, und beim sechzehnten überwiegenden Zählimpuls in der Abwärtsrichtung erfolgt ein Übergang vom Zählerstand "17"

(10001) in den Zählerstand "16" (10000), der die Abgabe

eines Signals mit dem Wert "1" am Ausgang 31 der NOR-Schaltung N verursacht.

Das Signal mit dem Wert "1" am Ausgang 31 der NOR-Schaltung N gelangt zum Takteingang HZCL des Hauptzählers HZ und hat zur Folge, daß dessen Stand in der vom Vorzeichen-Bit in der Stufe A1 des Ausgangsregisters A bestimmten Zählrichtung um eine Zähleinheit fortschaltet. Der Hauptzähler HZ steht nun nicht mehr auf dem Stand "0", so daß am Anfang des nächsten Umsetzungszyklus der Digital-Analog-Umsetzer DAU eine diesem von Null verschiedenen Zählerstand entsprechende Analogspannung am Eingang 15 des !Comparators KOM erzeugt. In der höchstwertigen Stufe HZ1O des Hauptzählers HZ ist das das-Vorzeichen der Information im Hauptzähler HZ repräsentierende Bit enthalten, so daß der Digital-Analog-Umsetzer DAU die Analogspannung unter Berücksichtigung des Vorzeichens erzeugt. Bei dem zuvor angenommenen Beispiel einer überwiegenden Anzahl der positiven Abtastwerte erfolgt die Fortschaltung des Hauptzählers HZ, während in der Stufe A1 des Ausgangsregisters A der das positive Vorzeichen darstellende Wert "1" gespeichert ist, so daß der Hauptzähler HZ in Aufwärtszählrichtung geschaltet ist. Er geht also vom Zählerstand "O" (00...00) in den Zählerstand "+1" (00...01) über, da der Wert "0" in der Stufe HZ10 das positive Vorzeichen bedeutet. Der Digital-Analog-Umsetzer DAU, der vom Ausgang HZQ1Ö den Signalwert "1" empfängt, erzeugt daher eine positive Kompensationsspannung mit dem kleinsten vorgesehenen Stufenwert.

Die vom Digital-Analog-Umsetzer DAU dem Eingang 15 des Komparators KOM zugeführte und am Kondensator C2 gespeicherte Analogspannung wirkt dauernd im Sinne einer Kompensation der in der Analogspannung am Eingang 10 ent-

haltenen Gleichspannungskomponente entgegen. Eine vollständige Kompensation der Gleichspannungskomponente ist dann erreicht, wenn in die Stufe A1 des Ausgangsregisters A über einen längeren Zeitraum betrachtet, ebenso viele Bits mit dem ¥ert "O" wie Bits mit dem Wert "1" gelangen. Reicht die an den Eingang 15 des Komparators KOM angelegte Kompensationsspannung zur vollständigen Kompensation der positiven Gleichspannungskomponente noch nicht aus, dann wird der Vorzähler VZ weiterhin öfter in Aufwärtsrichtung als in Abwärtsrichtung zählen und demzufolge weiter Ausgangsimpulse am Ausgang 30 der NOR-Schaltung N erzeugen, die den Stand des Hauptzählers HZ erhöhen. Der erhöhte Stand des Hauptzählers HZ führt dazu, daß der Digital-Analog-Umsetzer DAU eine höhere Kompensationsspannung an den Eingang 15 des Komparators KOM anlegt. Sobald die Gleichspannungskomponente vollständig kompensiert ist, empfängt der Hauptzähler HZ keine Impulse mehr aus dem Vorzähler VZ, so daß demzufolge auch der Spannungswert am Eingang 15 des Komparators KOM nicht mehr verändert wird.

Beim Vorliegen einer negativen Gleichspannungskomponente im Analogsignal an der Eingangsklemme 10 ist der Haupt-.zähler HZ bei der Fortschaltung durch den vom Ausgang 31 der NOR-Schaltung N kommenden Impuls in Abwärtszählrichtung geschaltet, da in der Stufe A1 des Ausgangsregisters A der das negative Vorzeichen darstellende Wert "0" steht. Ausgehend vom Zählerstand "00...00" geht der Hauptzähler HZ in den Zählerstand "11...11" über; es findet also eine Änderung des Inhalts der Zählerstufe HZ10 statt, die einen Vorzeichenwechsel bedeutet. Da der Digital-Analog-Umsetzer DAU nun vom Ausgang HZQ10 den Signalwert "0" empfängt, erzeugt er eine negative Kompensationsspannung. Der Betrag dieser negativen Kompensationsspannung ist durch die Komplementärwerte der in den Zählerstufen HZ1

bis HZ9 stehenden Binärziffern bestimmt, da gleichzeitig mit dem Vorzeichenwechsel eine Umschaltung des Mehrfachschalters S 5 stattfindet, so daß der Digital-Analog-Umsetzer DAU die digitale Information nunmehr von den negierenden Ausgängen HZQ1 bis HzW erhält. Einzelheiten der Zählweise des Hauptzählers HZ und der Übertragung der in ihm enthaltenen Information werden später anhand von Fig. 3 noch genauer erläutert.

In Fig. 1 ist zu erkennen, daß das vom Ausgang 31 der NOR-Schaltung N abgegebene Signal "1" auch an den Dateneingang FFD des Fllpflops FF angelegt wird. Mit der Hinterflanke des nächsten Taktsignals am Ausgang SWO der Steuerschaltung STS wird daher das Flipflop FF in den Zustand "1" gesetzt, so daß es an seinem Ausgang FFQ einSignal abgibt, das den Vorzähler VZ auf den Stand "0" zurückstellt. Diese Maßnahme bewirkt, daß der Vorzähler VZ stets erst dann erneut den Zählerstand "16" erreicht, wenn die Anzahl der in einer Zählrichtung erfolgenden Fortschaltvorgänge um sechzehn größer war als die Anzahl der Fortschaltvorgänge, die in der anderen Zählrichtung stattgefunden haben. Ohne diese Schaltungsmaßnahme könnte es vorkommen, daß der Vorzähler VZ, nachdem er den Zählerstand "16" erreicht hat, bei dem die NOR-Schaltung N ein Signal "1" abgibt, bei schnellem Wechsel der Zählrichtung öfter zwischen den Zählerständen "15" und "16" oder "16" und "17" hin- und herpendelt, wobei dann Jedesmal ein Signal "1" am Ausgang 31 abgegeben würde. Durch Verwendung der NOR-Schaltung N und des Flipflops FF erfolgt nach jedem Erreichen des Zählerstandes "16" ein Rückstellen des Vorzählers VZ, so daß ein erneutes Erreichen dieses Zählerstandes erst mit dem sechzehnten überwiegenden Fortschaltimpuls in der gleichen Zählrichtung stattfinden kann.

Wie oben bereits erläutert wurde, dient die Stufe HZ1O

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des Hauptzählers HZ dazu, dem Digital-Analog-Umsetzer DAU eine Information über das Vorzeichen der zu erzeugenden Analogspannung zu übermitteln. Gleichzeitig bestimmt der Inhalt der Stufe HZ1O auch, ob der Inhalt der Stufen HZ1 bis HZ9 in direkter Form oder in komplementierter Form zum Digital-Analog-Umsetzer DAU übertragen wird. Diese Maßnahme hat folgenden Zweck:

Wie oben bereits erwähnt wurde, wird die im Hauptzähler HZ enthaltene digitale Information vom Digital-Analog-Umsetzer DAU in eine Analogspannung umgesetzt, die über den Schalter S3 dem Eingang 15 des !Comparators KOM als Kompensationsspannung für eine eventuell im Eingangssignal vorhandene Gleichspannungskomponente zugeführt wird. Die Information im Hauptzähler HZ besteht aus neun Bits, die in den Stufen HZ1 bis HZ9 gespeichert sind, sowie aus einem in der zehnten Stufe HZ1O gespeicherten Vorzeichen-Bit. Der Hauptzähler HZ zählt mit jedem seinem Takteingang HZCL zugeführten Impuls abhängig vom Signal am Eingang HZU/D aufwärts oder abwärts.

Zum besseren Verständnis der Funktionsweise des Hauptzählers HZ sind in der Tabelle von Fig. 3 untereinander die Ausgangssignale dargestellt, die für mehrere nacheinander dem Takteingang HZCL zugeführte Signale an den Ausgängen der Zählerstufen erhalten werden. Zur Vereinfachung sind nur die Ausgangssignale an den vier Zählerstufen HZ1, HZ2, HZ3 und HZ1O gezeigt. Die Signalwerte an den nicht negierenden Ausgängen HZQ1, HZQ2, HZQ3... HZQ1O stimmen mit dem Inhalt der Zählerstufen überein. Für jeden Zählerstand ist der entsprechende digitale Zahlenwert mit dem durch den Inhalt der Zählerstufe HZ1O bestimmten Vorzeichen angegeben. Ein Stern bezeichnet die Signale, die entsprechend der Stellung des Mehrfachschalters S5 zum

Digital-Analog-Umsetzer DAU übertragen werden. Schließlich ist das Signal am Eingang HZU/D dargestellt, das die Zählrichtung bestimmt und vom Ausgang AQ1 des Ausgangsregisters A kommt.

Es wird von der Anfangsstellung "O" ausgegangen, in der alle Zählerstufen HZ1 bis HZ10 den Inhalt "O" haben. Dies entspricht dem Zahlenwert "0". Der Inhalt "O" der Stufe HZ10 gibt das positive Vorzeichen an. Demzufolge werden die Signale an den nicht negierenden Ausgängen HZQ1 bis HZQ9 zum Digital-Analog-Umsetzer DAU übertragen. Dieser erzeugt eine Kompensationsspannung von 0 V.

Das Signal am Eingang HZU/D hat den Wert "1", der die Aufwärtszählrichtung bedeutet. Demzufolge bringt der erste am Takteingang HZCL ankommende Impuls die Zählerstufe HZ1 in den Zustand "1", während die übrigen Zählerstufen den Zustand "0" beibehalten. Dieser Zählerstand entspricht dem Zahlenwert "+1", der dem Digital-Analog-Umsetzer DAU zugeführt wird. Dieser erzeugt eine positive Kompensationsspannung, deren Betrag der kleinsten vorgesehenen Kompensationsspannungsstufe entspricht.

Wenn die auf diese Weise erzeugt Kompensationsspannung noch nicht ausreicht, um die positive Gleichspannungskomponente der Analogspannung zu kompensieren, besteht bei der Zuführung des nächsten Zählimpulses wieder das Signal "1" am Eingang HZU/D, so daß der Hauptzähler HZ erneut in der Aufwärtsrichtung fortgeschaltet wird« Sein Zählerstand entspricht dann dem Zahlenwert "+2", der zum Digital-Analog-Umsetzer DAU übertragen wird, der daraufhin eine entsprechend größere positive Kompensationsspannung erzeugt.

Der gleiche Vorgang kann sich in der Aufwärtszählrich-

tung fortsetzen, bis ein Zählerstand erreicht ist, der einem die vollständige Kompensation der Gleichspannungskomponente bewirkenden positiven Zahlenwert entspricht.

In Fig. 3 ist angenommen, daß beim Anlegen der nächsten Zählimpulse nach dem Erreichen des Zahlenwertes "+3" am Hauptzähler die Abwärtszählrichtung eingestellt ist, was dann eintritt, wenn die zu kompensierende Gleichspannungskomponente niedriger wird. Die folgenden Zählimpulse werden daher in der Abwärtsrichtung gezählt, so daß der Hauptzähler HZ die Zahlenwerte "+2" und "+1" in der Rückwärtsrichtung durchläuft, bis er wieder den Zählerstand ¹¹O" erreicht, in dem alle Zählerstufen HZ1 bis HZ1O den Zustand "0" haben.

Beim nächsten in der Abwärtsrichtung gezählten Impuls gehen alle Zählerstufen HZ1 bis HZ1O in den Zustand "1". "Dies entspricht dem höchstmöglichen Zählerstand des Binärzählers. Da die Zustandsänderung in der Zählstufe HZ1O den Vorzeichenwechsel vom positiven zum negativen Vorzeichen bedeutet, würde der neue Zählerstand dem Zahlenwert "-511" entsprechen, wenn weiterhin die direkten Ausgangssignale von den Ausgängen HZQ1 bis HZQ9 zum Digital-Analog-Umsetzer DAU übertragen würden. Dieser unerwünschte Zustand wird dadurch vermieden, daß gleichzeitig der Mehrfachschalter S5 in die andere Schaltstellung gebracht wird, so daß nunmehr die Komplementärsignale von den negierenden Ausgängen HZQ1 bis HZQ9 zum Digital-Analog-Umsetzer DAU übertragen werden. Dieser empfängt daher an allen Signaleingängen den Digitalwert "0", wobei der Signalwert "0" am Vorzeicheneingang das negative Vorzeichen bedeutet, und die Signalwerte "0" an den übrigen Signaleingängen den Betrag "0" ergeben. Der Digital-Analog-Umsetzer DAU interpretiert diesen

Zustand als den Zahlenwert "-0", der die Erzeugung einer Kompensationsspannung von "-0 V" bewirkt.

Für den Digital-Analog-Umsetzer DAU ist somit ein Übergang vom Zahlenwert "+O" zum Zahlenwert "-O" erfolgt. Das zweifache Auftreten des Zahlenwerts "0" ist jedoch bedeutungslos, da der Hauptzähler HZ in einem Regelkreis liegt, der sich schließlich auf den erforderlichen Kompensationswert einspielt.

Beim nächsten in Abwärtsrichtung gezählten Impuls ändert sich nur der Inhalt der Zählerstufe HZ1 von "1" auf "0". In den zum Digital-Analog-Umsetzer DAU übertragenen Signalen ergibt dies eine Änderung der letzten Binärstelle von "0" auf "1", während alle übrigen Binärstellen und das Vorzeichen-Bit den Wert "0" beibehalten. Für den Digital-Analog-Umsetzer DAU bedeutet dies den Zahlenwert "-1", der in eine negative Kompensationsspannung der kleinsten Spannungsstufe umgesetzt wird.

Die weiteren in der Abwärtsrichtung gezählten Impulse ergeben die Zahlenwerte "-2" und "-3"» die in entsprechend größere negative Kompensationsspannungen umgesetzt werden.

In Fig. ist angenommen, daß nach dem Erreichen des Zahlenwerts "-3" wieder ein Wechsel der Zählrichtung stattfindet, -so daß der Hauptzähler der Reihe nach Zählerstände durchläuft, die den Zahlenwerten "-2", »-1», »-0% "+0", "+1" entsprechen. Beim Übergang vom Zahlenwert "-0" zum Zahlenwert "+0" erfolgt der Vorzeichenwechsel und die Umschaltung des Mehrfachschalters S5_S so daß anschließend der Digital -Analog-Umsetzer DAU wieder die direkten Ausgangssignale von den Ausgängen HZQ1 bis HZQ9 empfängt.

Die vorstehende Schilderung läßt erkennen, daß der Haupt-

zähler HZ in Verbindung mit dem Vorzähler VZ einen Vorzeichenintegrator bildet, der das Vorzeichen der Abtastwerte der Analogspannung fortlaufend integriert. Das jeweils erreichte Integrationsergebnis enthält eine Aussage darüber, ob die Anzahl der positiven Abtastwerte gleich, größer oder kleiner als die Anzahl der negativen Abtastwerte ist. Die Ausführung als Zähler hat den Vorteil, daß er auch eine quantitative Aussage ergibt, die unmittelbar in eine entsprechende Kompensationsspannung umgesetzt werden kann. Dieses Integrationsergebnis wird mit dem Abtastwert so kombiniert, daß die gewünschte Kompensation der Gleichspannungskomponente eintritt.

In der dargestellten Schaltungsanordnung ist die Anzahl der Stufen des Hauptzählers HZ größer als die Anzahl der Stufen des Ausgangsregisters A. Die Mehrfachschalter S4 und S5 sind so ausgebildet, daß die Ausgangssignale der Stufen HZ1 bis HZ1O zum Digital-Analog-Umsetzer DAU durchgeschaltet werden können. Dabei enthält der Schalter S5 neun Umschalter, mit denen die Ausgangssignale der Stufen HZ1 bis HZ9 zu den Eingängen 30 des Umschalters S4 durchgeschaltet werden können. Das vom Ausgang HZQ1O abgegebene Signal der Stufe HZ10 ist direkt an einen der Eingänge 30 gelegt. Der Mehrfachschalter S4 enthält zehn Umschalter, mit deren Hilfe er die seinen Eingängen 29 oder 30 zugeführten Signale zum Digital-Analog-Umsetzer DAU durchschalten kann. Die Ausgänge der Stufen A1 bis A8 sind so an die Eingänge 29 des Mehrfachschalters S4 geführt, daß der Ausgang der Stufe A1 zu dem Umschalter führt, der auch für die Durchschaltung des Vorzeichensignals aus der Stufe HZ10 des Hauptzählers HZ zuständig ist, und die Ausgänge der Stufen A2 bis A8 sind der Reihe nach an die Umschalter im Mehrfachschalter S4 angeschlossen, die für die Durchschaltung der Signale aus den Stufen HZ9 bis HZ3 zuständig sind. Wegen der geringe-

312638Ό

ren Anzahl der Stufen im Ausgangsregister A bleiben in der in Fig. mit vollen Linien dargestellten Schaltstellung der Umschalter im Mehrfachschalter S4 die Eingänge 29 der zwei Umschalter unbelegt, die der gestrichelten Schaltstellung die Ausgangssignale der Stufen HZ1 und HZ2 des Hauptzählers HZ zum Digital-Analog-Umsetzer DAU durchschalten. Dies ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Schaltungsanordnung, weil dadurch erreicht wird, daß das Auflösungsvermögen der dem Komparator KOM zugeführten Kompensationsspannung kleiner als die noch aufzulösenden Änderungen des der Eingangsklemme 10 zugeführten Abtastwerts sind. Somit haben beispielsweise Änderungen der Kompensationsspannung um einen minimalen Änderungsschritt bei gleichbleibendem Abtastwert an der Eingangsklemme 10 keine Änderung des Standes des Ausgangsregisters A zur Folge» Die Schaltungsanordnung muß so ausgebildet sein, daß sie kleine Änderungen der Kompensationsspannung toleriert/ da die Schaltungsanordnung selbst im eingeschwungenen Zustand systembedingte Änderungen der Kompensationsspannung um einen Änderungsschritt in positiver und in negativer Richtung aufweisen kann.

Diese Änderung der Kompensationsspannung im eingeschwungenen Zustand kann sich ergeben, weil der Komparator KOM die exakte Gleichheit der seinen Eingängen 14 und 15 zugeführten Spannungen nicht feststellen kannj er zeigt stets nur an, ob die seinem Eingang 14 zugeführte Spannung höher oder niedriger als die seinem Eingang 15 zugeführte Kompensationsspannung ist. Dies bedeutet, daß selbst nach Einstellen des richtigen Kompensationsspannungswerts der Vorzähler VZ seinen Zählerstand "16" erreichen und damit die Abgabe eines Impulses an den Hauptzähler HZ auslösen kann. Dieser Impuls, der die in der Stufe HZ1 gespeicherte Information ändert, hat zwar eine Änderung der vom Digital-Analog-Umsetzer DAU erzeugten Kompensationsspannung

zur Folge, doch ist diese Änderung so gering, daß sie keine Auswirkung auf die im Ausgangsregister A enthaltene Information zur Folge hat, wie oben bereits angegeben wurde.

In der beschriebenen Schaltungsanordnung ist der Wert der jeweils benötigten !Compensationsspannung in digitaler Form im Hauptzähler HZ gespeichert. Dies ergibt den Vorteil, daß die Einschwingzeit der Schaltungsanordnung nach einer Betriebsunterbrechung stark verkürzt wird, da der Kompensationsspannungswert nicht erst in einer größeren Anzahl von Betriebszyklen gebildet werden muß, sondern bereits in digital gespeicherter Form vorliegt. Dabei kann angenommen werden, daß der nach einer Betriebsunterbrechung benötigte Kompensationsspannungswert wenig von dem vor der Betriebsunterbrechung eingestellten Wert abweicht.

In der beschriebenen Schaltungsanordnung wird die der Eingangsklemme 10 zugeführte Analogspannung mit der in der PCM-Technik üblichen Frequenz abgetastet, die beispielsweise in der Fernsprechtechnik 8 kHz beträgt. Hierzu werden die Schalter S1 und S2 mit diese Folgefrequenz aufweisenden Impulsen SW1 aus der Steuerschaltung STS jeweils kurzzeitig in die mit gestrichelter Linie angegebene Schaltstellung umgeschaltet. In der Pause zwischen zwei Abtastimpulsen erfolgt die Umsetzung in den schließlich im Ausgangsregister A gebildeten Digitalwert, wie oben ausführlich erläutert wurde. Für diesen Umsetzungsvorgang wird nicht der gesamte zwischen zwei Abtastimpulsen zur Verfügung stehende Zeitraum benötigt. Im Anschluß an den Umsetzungsvorgang wird noch vor einem neuen Abtastimpuls die Kompensationsspannung durch Umsetzen der im Hauptzähler HZ enthaltenen Information erzeugt und an den Eingang 15 des Komparators KOM angelegt.

Für die Analog-Digital-Umsetzung des anschließend abgetasteten Analogspannungswerts wird die Kompensationsspannung am Kondensator C2 gespeichert.

Der in Fig.1 dargestellte Komparator KOM hat zwei Funktionen; er kombiniert die seinen Eingängen 14 und 15 zugeführten Spannungen durch Differenzbildung und er entscheidet, ob das Kombinationsergebnis über oder unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt» Der Komparator KOM könnte daher auch aus einem Summierglied und einer Schwellenwertschaltung bestehen.

Die Schalter S3 und S4 ermöglichen die doppelte Ausnutzung des Digital-Analog-Umsetzers DAU₅ nämlich einmal für die Umsetzung des analogen Abtastwerts in einen digitalen Abtastwert und einmal für die Erzeugung der Kompensationsspannung. Es wäre auch möglich, für jede dieser Funktionen einen eigenen Digital-Analog-Umsetzer zu verwenden, so daß sich dann die Schalter S3 und S4 sowie der Kondensator C2 erübrigen würden.

Die Umschalter in den Mehrfachschaltern S4 und S5 sind in der Praxis elektronische Schalter aus komplementär gesteuerten Feldeffekttransistoren.

Die beschriebene Schaltungsanordnung kann in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut werden, so daß sie kostengünstig in großen Stückzahlen produziert werden kann. Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo Signale unter Anwendung der Pulscodemodulationsverfahrens übertragen werden sollen, beispielsweise in der Fernsprechtechnik und bei der digitalen Ton·= oder Bildaufzeichnung.

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Claims

Patentanwälte.,· • ·- - ' ι : Dipl -Ing Dipl.-Chem Dipl-lng E. Prinz Dr. G. Hauser G. Leiser Ernsbergerstrasi. e 19 8 München 60

3. Juli 1981

TEXAS INSTRUMENTS DEUTSCHLAND GMBH Haggertystraße 1
Freising

Unser Zeichen; T 3400

Patentansprüche

y. Schaltanordnung zum Umsetzen eines analogen Wechselspannungssignals in ein digitales Signal mit einer Abtastvorrichtung, die das analoge Wechselspannungssignal zyklisch abtastet und analoge Abtastwerte bildet, und einem Analog-Digital-Umsetzer zum Umsetzen der analogen Abtastwerte in digitale Abtastwerte, gekennzeichnet durch einen Vorzeichenintegrator (VZ, HZ), der die Vorzeichen der digitalen Abtastwerte integriert, einen Kompensationsspannungsgenerator (DAU), der abhängig vom Integrationsergebnis eine Kompensationsspannung erzeugt, und eine Kombinationsschaltung (KOM), der die Kompensationsspannung mit dem analogen Abtastwert aus der Abtastvorrichtung kombiniert und das Kombinationsergebnis an den Analog-Digital-Umsetzer (A, STS, DAU, KOM) anlegt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorzeichenintegrator (VZ, HZ) ein Zähler ist, dessen Zählrichtung abhängig vom Vorzeichen des digitalen Abtastwerts umschaltbar ist.

8.1.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationsspannungsgenerator ein Digital-Analog-Umsetzer (DAU) ist, der die durch den Stand des Zählers (VZ, HZ) repräsentierte Information in die Kompensationsspannung umsetzt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherelement (C2) vorgesehen ist, das die vom Kompensationsspannungsgenerator abgegebene Kompensationsspannung speichert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Zähler einen Vorzähler (VZ) und einen Hauptzähler (HZ) enthält und daß eine Decodierschaltung (N) vorgesehen ist, die das Erreichen des der halben Zählkapazität des Vorzählers (VZ) entsprechenden Zählerstandes feststellt und abhängig davon ein Signal an den Fortschalteingang (HZCL) des Hauptzählers (HZ) anlegt und die Rückstellung des Vorzählers (VZ) auslöst.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Decodierschaltung eine NOR-Schaltung (N) ist, die einen mit dem negierenden Ausgang der höchstwertigen Stufe (VZ5) des Vorzählers (VZ) verbundenen Eingang und mit den nicht negierenden Ausgängen der übrigen Stufen (VZ1 bis VZ4) des Vorzählers (VZ) verbundene Eingänge aufweist, daß der Ausgang (31) der NOR-Schaltung (N) mit dem Takteingang (HZCL) des Hauptzählers (HZ) verbunden ist und daß an den Ausgang (31) der NOR-Schaltung (N) eine bistabile Kippschaltung (FF) angeschlossen ist, die beim Auftreten eines Ausgangssignals am Ausgang (31) der NOR-Schaltung (N) ein Rückstellsignal an den Rückstelleingang (VZR) des Vorzählers (VZ) abgibt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Stufen des Hauptzäh-

lers (HZ) größer als die Anzahl der Bits der digitalen Abtastwerte ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Digital-Analog-Umsetzer (DAU) und die nicht negierenden Ausgänge (HZQ1 bis HZQ9) sowie die negierenden Ausgänge (HZQ1 bis HZQ9) der Stufen (HZ1 bis HZ9) des Hauptzählers (HZ) mit Ausnahme der höchstwertigen Stufe (HZ1O) des Hauptzählers (HZ) ein Mehrfachschalter (S5) eingefügt ist, der abhängig von der Information in der höchstwertigen Stufe (HZ1O) des Hauptzählers (HZ) so umschaltbar ist, daß die von den nicht negierenden Ausgängen (HZQ1 bis HZQ9) oder die von den negierenden Ausgängen (HZQ1 bis HZQ9) der Stufen (HZ1 bis HZ9) des Hauptzählers (HZ) abgegebenen Signale zum Digital-Analog-Umsetzer (DAU) durchgeschaltet werden.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfachschalter komplementär geschaltete Feldeffekttransistoren enthält.