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DE3830044C1 - Method and device for digitising an analog signal with an amplitude-dependent resolution - Google Patents

Method and device for digitising an analog signal with an amplitude-dependent resolution

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Publication number
DE3830044C1
DE3830044C1 DE19883830044 DE3830044A DE3830044C1 DE 3830044 C1 DE3830044 C1 DE 3830044C1 DE 19883830044 DE19883830044 DE 19883830044 DE 3830044 A DE3830044 A DE 3830044A DE 3830044 C1 DE3830044 C1 DE 3830044C1
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DE
Germany
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analog
voltage
signal
digital
input
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE19883830044
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German (de)
Inventor
Hans-Karl Dipl.-Phys. Dr. 6625 Puettlingen De Stanger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Priority to DE19883830044 priority Critical patent/DE3830044C1/en
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Publication of DE3830044C1 publication Critical patent/DE3830044C1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03MCODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12Analogue/digital converters
    • H03M1/1235Non-linear conversion not otherwise provided for in subgroups of H03M1/12

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
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Abstract

A device for the amplitude-dependent resolution during digitisation of an analog signal has N analog/digital converters (10) and a combining circuit (17). N reference voltages form the upper limit for the input-voltage ranges. For the respective voltage value of the ith reference voltage it holds true that the voltage difference to the preceding (i-1)th reference voltage is greater by a factor Mi than the voltage difference to the next (i+1)th reference voltage following. An analog input signal (9) is allocated to the input-voltage range in which there is no further reference voltage between its upper limit and the voltage value of the analog input signal (9). The digital output signal (18) digitised in the analog/digital converters (10) and selected in the combining circuit (17) exhibits a very high resolution at small analog input signals (9), which decreases slowly towards large analog input signals (9). Using six 8-bit analog/digital converters, a quasi-13-bit analog/digital converter is constructed which has good resolution even at medium amplitudes. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Ober­ begriff von Anspruch 1 und eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Einrichtung.The invention relates to a method according to the Ober Concept of claim 1 and one for performing the Appropriate facility.

Es ist bekannt, daß Analogsignale großer Dynamik, also solche mit großen und kleinen Werten in zeitlicher Abfolge, nur ungenau zu digitalisieren sind. Ein üblicher 8-Bit Analog-Digital-Wandler mit 256 Digita­ lisierungsstufen kann im Verhältnis zum maximal zu verarbeitenden Spannungssignal eine Dynamik von 48 dB erfassen.It is known that analog signals of great dynamics, that is those with large and small values in time Sequence that can only be digitized imprecisely. A Common 8-bit analog-to-digital converter with 256 digits Levels can be increased in relation to the maximum processing voltage signal a dynamic range of 48 dB to capture.

Weiterhin ist eine einfache Zusammenschaltung mehrerer Analog-Digital-Wandler bekannt, die jeweils gleich­ große, sich nicht überlappende aber angrenzende Teil­ abschnitte von Spannungswerten der analogen Eingangs­ spannung erfassen. Eine Referenzspannung ist so zu Hilfsreferenzspannungen heruntergeteilt, daß die jeweiligen Hilfsreferenzspannungswerte den Grenzen der Spannungsteilabschnitte entsprechen. Das analoge Eingangssignal wird mit den Hilfsreferenzspannungen verglichen und infolge dieses Vergleichs einem Span­ nungsteilabschnitt und damit einem Analog-Digital- Wandler zugeordnet, der es in ein digitales Ausgangs­ signal wandelt.Furthermore, a simple interconnection of several Analog-digital converter known, each the same large, non-overlapping but adjacent part sections of voltage values of the analog input capture voltage. A reference voltage is too  Auxiliary reference voltages divided that the respective auxiliary reference voltage values the limits of Corresponding voltage sections. The analog Input signal is with the auxiliary reference voltages compared and as a result of this comparison a chip section and thus an analog-digital Transducers associated with it in a digital output signal changes.

Die Digitalsignale der verschiedenen Analog-Digital- Wandler werden anschließend kombiniert, um das Aus­ gangssignal zu erhalten. Damit eine solche Anordnüng einen Dynamikbereich von 78 dB überdecken kann, also eine Maximalspannung des 213-fachen der kleinsten Quantisierung des analogen Eingangssignals erfassen kann, sind 32 8-Bit Analog-Digital-Wandler notwendig. Dies ist ein technisch sehr aufwendiger Aufbau.The digital signals from the various analog-digital converters are then combined to obtain the output signal. In order for such an arrangement to cover a dynamic range of 78 dB, i.e. to detect a maximum voltage of 2 13 times the smallest quantization of the analog input signal, 32 8-bit analog-digital converters are necessary. This is a technically very complex structure.

Aus der DE-OS 36 11 822 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das Analogsignal in zwei oder vorzugsweise drei Bereiche unterteilt wird. Der Bereich hoher Amplituden wird direkt digitalisiert. Der Bereich der kleinen Amplituden wird nach einer Verstärkung um einen Verstärkungsfaktor N digitalisiert und anschließend das erhaltene Digitalsignal um den Verstärkungsfaktor 1/ N heruntergeteilt. Das zusammengesetzte Digital­ signal ergibt eine höhere Auflösung für kleinere analoge Spannungswerte. From DE-OS 36 11 822 a method is known in which the analog signal is divided into two or preferably three areas. The range of high amplitudes is digitized directly. The range of the small amplitudes is digitized after an amplification by an amplification factor N and then the digital signal obtained is divided down by an amplification factor 1 / N. The composite digital signal results in a higher resolution for smaller analog voltage values.

In einem Zwischenbereich, der nach oben allerdings durch die maximal wandelbare analoge Spannungs­ amplitude des Kleinbereichs-Analog-Digital-Wandler be­ grenzt ist, wird das Digitalsignal durch eine additive gleitende Kombination des kleinwertigen Digitalsignals und des großwertigen Digitalsignals zusammengesetzt, vorzugsweise durch einen linearen Übergang der Ge­ wichtung von Null bis Eins des Anteils des großwer­ tigen Digitalsignals bei einem Anstieg des analogen Eingangssignals. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß bei Verwendung von z.B. zwei 8-Bit Analog- Digital-Wandlern eine Dynamik von 78 dB nur durch einen Faktor N von 32 erreicht wird. Damit weisen über 95% des Meßbereichs die grobe Auflösung eines einzelnen 8- Bit Analog-Digital-Wandlers des Orobbereichs-Analog- Digital-Wandlers auf.In an intermediate area, however, to the top through the maximum convertible analog voltage amplitude of the small-range analog-digital converter be the digital signal is limited by an additive sliding combination of the small-value digital signal and the large digital signal, preferably by a linear transition of the Ge weighting from zero to one of the proportion of the tall term digital signal with an increase in the analog Input signal. This method has the disadvantage that when using e.g. two 8-bit analog Digital converters have a dynamic range of 78 dB only through one Factor N of 32 is reached. This means that over 95% of the measuring range the rough resolution of a single 8- Oro Range Analog Bit Analog Digital Converter Digital converter.

Die DE-OS 27 06 928 lehrt ein Verfahren zur Analog- Digital-Umwandlung von Signalen, bei dem das analoge Eingangssignal in mehreren Kanälen verschieden verstärkt wird. Die verstärkten analogen Signale werden von mehreren gleichartigen Analog-Digital- Wandlern umgewandelt, wobei ein prioritätskodiergerät das signifikanteste Bit bestimmt und das zusammen­ gesetzte digitale Ausgangssignal auf einen Daten­ ausgang schaltet. Das bekannte Verfahren arbeitet mit einer geringen Taktrate und weist damit eine niedrige Verarbeitungsgeschwindigkeit für eingehende Analog­ signale auf. Eine verfahrensgemäße Vorrichtung umfaßt somit eine Vielzahl von mit den Analog-Digital- Wandlern zu vernetzenden Digitalmultiplexern.DE-OS 27 06 928 teaches a method for analog Digital conversion of signals where the analog Input signal different in several channels is reinforced. The amplified analog signals are used by several similar analog-digital Converters converted, using a priority encoder determines the most significant bit and that together digital output signal set on a data output switches. The known method works with a low clock rate and thus has a low  Processing speed for incoming analog signals on. A device according to the method comprises thus a variety of with the analog-digital Converters to be networked digital multiplexers.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die es in einfacher Weise erlauben, eine hohe Auf­ lösung des digitalisierten analogen Eingangssignales bei kleinsten wie bei mittleren Signalamplituden zu erhalten.Based on this state of the art Invention based on the object, a method and a To create a facility of the type mentioned at the beginning, which allow a high level in a simple manner solution of the digitized analog input signal for the smallest as well as for the medium signal amplitudes receive.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung für ein Ver­ fahren durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 6 gekennzeichnet.This object is achieved according to the invention for a ver drive through the characteristic features of the An spell 1 solved. A device for performing the method is characterized in claim 6.

Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik eine um mehrere binäre Größenordnungen bessere Auf­ lösung bei mittleren Spannungsamplituden auf, wenn von einer gleichen Auflösung gegenüber dem Stand der Technik sowohl für Spannungen nahe der maximal wandel­ baren Spannung als auch für kleinste Spannungs­ amplituden ausgegangen wird. The invention relates to the prior art an order better by several binary orders of magnitude solution at medium voltage amplitudes if of an equal resolution compared to the status of Technology both for voltages close to the maximum change voltage as well as for the smallest voltage amplitudes are assumed.  

Die Reduktion der Anzahl von 32 8-Bit Analog-Digital- Wandlern bei einfacher Zusammenschaltung der Analog- Digital-Wandler gegenüber nur 6 8-Bit Analog-Digital- Wandlern zur Erreichung von 78dB Dynamik gestattet eine erhebliche Vereinfachung des Aufbaus.The reduction in the number of 32 8-bit analog-digital Converters with simple interconnection of the analog Digital converter compared to only 6 8-bit analog-digital Converters allowed to achieve 78dB dynamic range a considerable simplification of the structure.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer Ein­ richtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following, exemplary embodiments of an on direction for performing an inventive Process explained with reference to the drawings. It demonstrate:

Fig. 1 Signalverläufe von zwei analogen Eingangs­ signalen und ihnen entsprechende digitale Ausgangssignale eines bekannten 4-Bit Analog-Digital-Wandlers,Signals Fig. 1 waveforms of two analog input and their corresponding digital output signals of a conventional 4-bit analog-to-digital converter,

Fig. 2 Signalverläufe von zwei analogen Eingangs­ signalen und ihnen entsprechende digitale Ausgangssignale einer konventionellen Zusammenschaltung von vier 4-Bit Analog- Digital-Wandlern,Signals Fig. 2 waveforms of two analog input and their corresponding digital output signals of a conventional interconnection of four 4-bit analog-to-digital converters,

Fig. 3 Signalverläufe von zwei logarithmisch verstärkten analogen Eingangssignalen und ihnen entsprechende digitale Ausgangssignale eines 4-Bit Analog-Digital-Wandlers, Fig. 3 waveforms of two logarithmically amplified analog input signals and their corresponding digital output signals of a 4-bit analog-to-digital converter,

Fig. 4 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Digitalisieren eines Analog­ signals mit einer amplitudenabhängigen Auf­ lösung gemäß einem ersten Ausführungsbei­ spiel, Fig. 4 is a block diagram of a device according to the invention for digitizing an analog signal having an amplitude dependent on solution according to a first Ausführungsbei game,

Fig. 5 Signalverläufe von zwei analogen Eingangs­ signalen und ihnen entsprechende digitale Ausgangssignale einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Digitalisieren eines Analog­ signals mit einer amplitudenabhängigen Auf­ lösung mit 4-Bit Analog-Digital-Wandlern,Signals Fig. 5 waveforms of two analog input and their corresponding digital output signals of an inventive device for digitizing an analog signal having an amplitude dependent on solution comprising 4-bit analog-to-digital converters,

Fig. 6 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Digitalisieren eines Analog­ signals mit einer amplitudenabhängigen Auf­ lösung gemäß einem zweiten Ausführungsbei­ spiel, Fig. 6 is a block diagram of an inventive device for digitizing an analog signal having an amplitude dependent on solution according to a second Ausführungsbei game,

Fig. 7 die Aufteilung der Spannungsbereiche der be­ reichsabhängigen Analog-Digital-Wandler beim Digitalisieren von Wechselspannungssignalen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung für die Digitalisierung von Wechselspannungs­ signalen, Fig. 7 shows the distribution of the voltage ranges of the rich be dependent analog-to-digital converter when digitizing AC signals in accordance with a development of the invention for digitizing signals of AC voltage,

Fig. 8 die Aufteilung der Digitalisierungsstufen bei einem überlappungsfreien Aneinander­ fügen der Analog-Digital-Wandler gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung und Fig. 8 shows the allocation of the digitizing stages in a non-overlapping joining of the analog-to-digital converter according to a further embodiment of the invention, and

Fig. 9 die Auswahl des wandelnden Analog-Digital- Wandlers bei überlappenden Digita­ lisierungsbereichen der Analog-Digital- Wandler. Fig. 9, the selection of the converting analog-to-digital converter with overlapping digitization areas of the analog-to-digital converter.

Die Fig. 1 zeigt Signalverläufe von zwei analogen Eingangssignalen 1, 2, die einem üblichen Analog- Digital-Wandler zugeführt werden, und ihnen ent­ sprechende digitale Ausgangssignale 3, 4 eines 4-Bit Analog-Digital-Wandlers. Es ist die Amplitude der Signale in Digitalisierungsstufen 5 gegen die Zeit aufgetragen, die durch eine Abfolge von Abtastpunkten 6 dargestellt wird. Fig. 1 shows waveforms of two analog input signals 1 , 2 , which are supplied to a conventional analog-to-digital converter, and accordingly digital output signals 3 , 4 of a 4-bit analog-to-digital converter. The amplitude of the signals in digitization stages 5 is plotted against the time, which is represented by a sequence of sampling points 6 .

Die Anzahl der Abtastpunkte 6 pro Sekunde ergibt die Abtastfrequenz in Hertz. Ein 4-Bit Analog-Digital- Wandler weist sechzehn Digitalisierungsstufen 5 auf, die einem Dynamikbereich von 24 dB entsprechen. Die analogen Eingangssignale 1, 2 werden in den Abtast­ punkten 6 mit ihrem jeweiligen Momentanwert 7 erfaßt, der durch die zur Zeitachse parallelen Strecken angedeutet wird.The number of sampling points 6 per second gives the sampling frequency in Hertz. A 4- bit analog-digital converter has sixteen digitization stages 5 , which correspond to a dynamic range of 24 dB. The analog input signals 1 , 2 are detected in the sampling points 6 with their respective instantaneous value 7 , which is indicated by the distances parallel to the time axis.

Das erste analoge Eingangssignal 1 des 4-Bit Analog- Digital-Wandlers weist eine große Amplitudensteigung über die Zeit auf, so daß der wandelbare Amplituden­ bereich des Analog-Digital-Wandlers ganz ausgenutzt wird. Das erste digitale Ausgangssignal 3 des 4-Bit Analog-Digital-Wandlers nähert dementsprechend das erste analoge Eingangssignal 1 gut an. The first analog input signal 1 of the 4-bit analog-digital converter has a large increase in amplitude over time, so that the convertible amplitude range of the analog-digital converter is fully utilized. Accordingly, the first digital output signal 3 of the 4-bit analog-digital converter closely approximates the first analog input signal 1 .

Das zweite analoge Eingangssignal 2 des 4-Bit Analog- Digital-Wandlers weist dahingegen eine kleinere Amplitudensteigung während des gezeichneten Abtast­ intervalles auf, so daß der wandelbare Amplituden­ bereich des Analog-Digital-Wandlers fast gar nicht genutzt wird. Das zweite digitale Ausgangssignal 4 des 4-Bit Analog-Digital-Wandlers, das im gezeichneten Falle nur zwei Werte kennt, nähert dementsprechend das zweite analoge Eingangssignal 2 sehr schlecht an.The second analog input signal 2 of the 4-bit analog-digital converter, on the other hand, has a smaller amplitude slope during the drawn sampling interval, so that the convertible amplitude range of the analog-digital converter is almost not used. The second digital output signal 4 of the 4-bit analog-to-digital converter, which in the case shown shows only two values, accordingly approximates the second analog input signal 2 very poorly.

Die Fig. 2 zeigt Signalverläufe von zwei analogen Eingangssignalen 1, 2 und ihnen entsprechende digitale Ausgangssignale 3, 4 einer dem Stand der Technik entsprechenden Zusammenschaltung von vier 4-Bit Analog-Digital-Wandlern, die in ihrer Wirkungsweise einem 6-Bit Analog-Digital-Wandler mit seinen 64 Digitalisierungsstufen 5 entsprechen. Fig. 2 shows waveforms of two analog input signals 1 , 2 and corresponding digital output signals 3 , 4 of a prior art interconnection of four 4-bit analog-digital converters, the mode of operation of a 6-bit analog-digital -Converters with its 64 digitization levels correspond to 5 .

Die vier 4-Bit Analog-Digital-Wandler bearbeiten das Signal in vier nicht überlappenden, aber angrenzenden Digitalisierungsbereichen 8 mit jeweils 16 Digita­ lisierungsstufen 5. Damit kann ein Dynamikbereich von 36 dB realisiert werden. Das kleinere zweite analoge Eingangssignal 2 wird hier durch mehrere digitale Werte des zweiten digitalen Ausgangssignals 4 gut repräsentiert.The four 4-bit analog-digital converters process the signal in four non-overlapping, but adjacent digitization areas 8 , each with 16 digitization stages 5 . This enables a dynamic range of 36 dB to be achieved. The smaller second analog input signal 2 is well represented here by several digital values of the second digital output signal 4 .

Bei einer Verwendung von 8-Bit Analog-Digital-Wandlern werden zur Realisierung eines Dynamikbereichs von 78 dB mit diesem Aufbau die große Anzahl von 32 8-Bit Analog-Digital-Wandlern benötigt.When using 8-bit analog-digital converters are used to realize a dynamic range of 78 dB  with this structure the large number of 32 8-bit Analog-digital converters required.

Die Fig. 3 zeigt Signalverläufe von zwei logarithmisch verstärkten analogen Eingangssignalen 1, 2 und ihnen entsprechende digitale Ausgangssignale 3, 4 eines 4-Bit Analog-Digital-Wandlers. FIG. 3 shows signal waveforms of two logarithmically amplified analog input signals 1, 2 and corresponding them digital output signals 3, 4 of a 4-bit analog-to-digital converter.

Das logarithmisch verstärkte analoge Eingangssignal 1 wird einem einzelnen, hier 4-Bit, Analog-Digital- Wandler zugeführt, der es in ein logarithmiertes digitales Ausgangssignal 3 verwandelt. Das kleinere logarithmierte zweite analoge Eingangssignal 2 wird hier durch mehrere digitale Werte des zweiten digi­ talen Ausgangssignals 4 repräsentiert. Die Schwierig­ keit dieser Dynamikkompression liegen in der tech­ nischen Realisierung des logarithmischen Verstärkers mit einer gut eingehaltenen Kennlinie über den gesam­ ten Frequenzbereich.The logarithmically amplified analog input signal 1 is fed to a single, here 4-bit, analog-digital converter, which converts it into a logarithmic digital output signal 3 . The smaller logarithmic second analog input signal 2 is represented here by several digital values of the second digital output signal 4 . The difficulty of this dynamic compression lies in the technical implementation of the logarithmic amplifier with a well-kept characteristic over the entire frequency range.

Die Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer erfin­ dungsgemäßen Einrichtung zum Digitalisieren eines Analogsignals mit einer amplitudenabhängigen Auf­ lösung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. In der Fig. 4 wie auch in der Fig. 6 bedeuten die einfach gezeichneten Verbindungen Übertragungswege für Analog­ signale oder Steuersignale, während die mit jeweils einem Linienpaar gezeichneten Verbindungen Über­ tragungswege für Digitalsignale oder Steuersignale darstellen, z.B. für mehrere Bits in Parallelform. Fig. 4 shows the block diagram of an inventive device for digitizing an analog signal with an amplitude-dependent on solution according to a first embodiment. In FIG. 4 as well as in FIG. 6, the simply drawn connections mean transmission paths for analog signals or control signals, while the connections drawn with one line pair each represent transmission paths for digital signals or control signals, for example for several bits in parallel.

Ein analoges Eingangssignal 9 wird gleichzeitig in die Eingänge von N Analog-Digital-Wandlern 10 einge­ speist.An analog input signal 9 is simultaneously fed into the inputs of N analog-digital converters 10 .

Aus einer Eingangsreferenzspannung 11 werden in einer Referenzteilerschaltung 12 N-1 weitere Referenz­ spannungen 13, 14 abgeleitet. Die Eingangsreferenz­ spannung 11 dient als erste Referenzspannung, so daß zusammen mit den abgeleiteten N-1 weiteren Referenz­ spannungen N Referenzspannungen vorhanden sind. Für den Spannungswert der i-ten der aufeinanderfolgenden Referenzspannungen gilt, daß die Spannungsdifferenz zur vorhergehenden, (i-1)-ten Referenzspannung um einen Faktor Mi größer als die Spannungsdifferenz zur nächstfolgenden, d.h. (i+1)-ten Referenzspannung ist. Dabei wird mit i eine natürliche Zahl zwischen 2 und N-1 bezeichnet. Im einfachsten Fall wird eine Ein­ gangsreferenzspannung 11 in die Referenzteilerschal­ tung 12 eingespeist, wobei diese zur Erzeugung der Referenzspannungen aus einer hochpräzisen Widerstands­ kette besteht.Further reference voltages 13 , 14 are derived from an input reference voltage 11 in a reference divider circuit 12 N -1. The input reference voltage 11 serves as the first reference voltage, so that N reference voltages are present together with the derived N -1 further reference voltages. For the voltage value of the i th of the successive reference voltages, the voltage difference to the previous, ( i -1) th reference voltage is greater by a factor Mi than the voltage difference to the next, ie ( i +1) th reference voltage. I denotes a natural number between 2 and N -1. In the simplest case, an input reference voltage 11 is fed into the reference divider circuit 12 , which consists of a high-precision resistance chain for generating the reference voltages.

Die Faktoren Mi können konstant gehalten werden und weisen in der im folgenden beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung den konstanten Wert Mi=2 für alle i auf.The factors Mi can be kept constant and, in the preferred embodiment of the invention described below, have the constant value Mi = 2 for all i .

Die Referenzspannungen legen jeweils die Obergrenze eines Eingangsspannungsbereichs fest, der für den jeweiligen Analog-Digital-Wandler 10 vorherbestimmt ist.The reference voltages each determine the upper limit of an input voltage range which is predetermined for the respective analog-digital converter 10 .

In den N Analog-Digital-Wandlern 10 wird das analoge Eingangssignal 9 digitalisiert. Dabei ergibt sich an einem digitalen Datenausgang 16 des i-ten Analog- Digital-Wandlers 10 ein gültiger Wert, falls das analoge Eingangssignal 9 kleiner oder höchstens gleich der i-ten Referenzspannung 11, 13 oder 14 ist. Falls das analoge Eingangssignal 9 größer als die i-te Referenzspannung 11, 13 oder 14 ist, wird im i-ten Analog-Digital-Wandler 10 ein Overflowsignal 15 generiert.The analog input signal 9 is digitized in the N analog-digital converters 10 . This results in a valid value at a digital data output 16 of the i- th analog-digital converter 10 if the analog input signal 9 is less than or at most equal to the i- th reference voltage 11 , 13 or 14 . If the analog input signal 9 is greater than the i- th reference voltage 11 , 13 or 14 , an overflow signal 15 is generated in the i- th analog-digital converter 10 .

Jeder Analog-Digital-Wandler 10 ist über eine digitale Datenleitung 40 und über eine Steuerleitung 41 mit einer Kombinations- und Auswahlschaltung 17 verbunden. Über die Steuerleitungen 41 liegen die eventuellen Overflowsignale 15 an der Kombinations- und Auswahl­ schaltung 17 an.Each analog-digital converter 10 is connected to a combination and selection circuit 17 via a digital data line 40 and via a control line 41 . Via the control lines 41 , the possible overflow signals 15 are applied to the combination and selection circuit 17 .

In der Kombinations- und Auswahlschaltung 17 wird mit Hilfe der Overflowsignale 15 festgestellt, welcher der N Analog-Digital-Wandler 10 zur Kombination des digitalen Ausgangssignals 18 ausgewählt wird.The combination and selection circuit 17 uses the overflow signals 15 to determine which of the N analog-digital converters 10 is selected for the combination of the digital output signal 18 .

Weiterhin kann eine Folgesteuerschaltung 19 vorge­ sehen werden, die verschiedene Taktsignale 20, 21 bereitstellt, die ein fehlerfreies Erstellen und Auslesen des digitalen Ausgangssignals 18 gewährlei­ sten.Furthermore, a sequence control circuit 19 can be seen easily, which provides various clock signals 20 , 21 , which guarantee an error-free creation and readout of the digital output signal 18 .

Die Fig. 5 zeigt Signalverläufe von zwei analogen Eingangssignalen 1, 2 und ihnen entsprechende digitale Ausgangssignale 3, 4 einer erfindungsgemäßen Umwandlung eines analogen Signals von drei 4-Bit Analog-Digital- Wandlern, die in ihrer Wirkungsweise einem quasi-6-Bit Analog-Digital-Wandler mit einem Dynamikbereich von 36 dB entsprechen. Der so arbeitende Analog-Digital- Wandler wird mit quasi-6-Bit umschrieben, da die Quantisierung des analogen Eingangssignals 1 mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Einrichtung bei großen Spannungsamplituden nicht mehr der Quantisierung durch einen 6-Bit Analog-Digital-Wandler entspricht. FIG. 5 shows waveforms of two analog input signals 1, 2 and corresponding them digital output signals 3, 4, a conversion according to the invention of an analog signal of three 4-bit analog-to-digital converters in their effect a quasi-6-bit analog- Correspond to digital converters with a dynamic range of 36 dB. The analog-digital converter operating in this way is described with quasi-6-bit, since the quantization of the analog input signal 1 with the aid of a device according to the invention no longer corresponds to the quantization by a 6-bit analog-digital converter with large voltage amplitudes.

Die drei 4-Bit Analog-Digital-Wandler bearbeiten das Signal in drei überlappenden Digitalisierungs­ bereichen 8 mit jeweils 16 Digitalisierungsstufen 5. Der Faktor Mi ist konstant und beträgt zwei. Die Untergrenze des Eingangsspannungsbereichs ist gleich Null. Damit wird ein Dynamikbereich von 36 dB reali­ siert. Das kleinere zweite analoge Eingangssignal 2 wird hier durch mehrere digitale Werte des zweiten digitalen Ausgangssignals 4 gut repräsentiert.The three 4-bit analog-digital converters process the signal in three overlapping digitization areas 8 , each with 16 digitization levels 5 . The factor Mi is constant and is two. The lower limit of the input voltage range is zero. This realizes a dynamic range of 36 dB. The smaller second analog input signal 2 is well represented here by several digital values of the second digital output signal 4 .

Bei einer Verwendung von 8-Bit Analog-Digital-Wandlern werden zur Realisierung eines Dynamikbereichs von 78 dB nur sechs Analog-Digital-Wandler benötigt, ihre Wirkungsweise entspricht einem quasi-13-Bit Analog- Digital-Wandler.When using 8-bit analog-digital converters are used to realize a dynamic range of 78 dB only six analog-to-digital converters needed their  Mode of operation corresponds to a quasi-13-bit analog Digital converter.

Die Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild einer weiteren Einrichtung zum Digitalisieren eines Analogsignals mit einer amplitudenabhängigen Auflösung. Das analoge Eingangssignal 9 liegt gleichzeitig an den Eingängen von N Verstärkern 22 an. Fig. 6 shows the block diagram of another means for digitizing an analog signal with an amplitude dependent resolution. The analog input signal 9 is present at the inputs of N amplifiers 22 at the same time.

Die Verstärker 22 verstärken das analoge Eingangssig­ nal 9 und erzeugen ein verstärktes analoges Eingangs­ signal 23. Die verstärkten analogen Eingangssignale 23 beaufschlagen N Analog-Digital-Wandler 10. An den Referenzspannungseingang der Analog-Digital-Wandler 10 ist die Referenzspannung 11 angelegt. Die Digitali­ sierung und Auswahl des entsprechenden digitalen Ausgangssignals 18 geschieht entsprechend der Be­ schreibung zu Fig. 4.The amplifier 22 amplify the analog input signal 9 and generate an amplified analog input signal 23 . The amplified analog input signals 23 act on N analog-digital converters 10 . The reference voltage 11 is applied to the reference voltage input of the analog-digital converter 10 . The digitization and selection of the corresponding digital output signal 18 is done according to the description of FIG. 4th

Die Fig. 7 zeigt die Aufteilung der Spannungsbereiche 8 der bereichsabhängigen Analog-Digital-Wandler beim Digitalisieren von Wechselspannungssignalen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung. Der Faktor Mi ist ungefähr gleich 3,3 gewählt, und die Untergrenze des Eingangsspannungsbereichs ist betragsmäßig gleich dem Spannungswert seiner Obergrenze mit entgegengesetzter polarität. Die drei gezeichneten Digitalisierungs­ bereiche 8 der Analog-Digital-Wandler sind symmetrisch um die Nullspannung 29 angeordnet. Für eine Auflösung von 78 dB für jede Polarität des analogen Signals 9 sind sieben 8-Bit Analog-Digital-Wandler notwendig. FIG. 7 shows the division of the voltage ranges 8 of the range-dependent analog-digital converters when digitizing AC signals according to a development of the invention. The factor Mi is chosen to be approximately equal to 3.3 and the lower limit of the input voltage range is equal in magnitude to the voltage value of its upper limit with opposite polarity. The three digitization areas 8 of the analog-digital converter shown are arranged symmetrically around the zero voltage 29 . Seven 8-bit analog-digital converters are required for a resolution of 78 dB for each polarity of the analog signal 9 .

Die Fig. 8 zeigt die Aufteilung der Digitalisierungs­ stufen 5 bei einem überlappfreien Aneinandergrenzen der Digitalisierungsbereiche 8 der Analog-Digital- Wandler gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung. Der Faktor Mi ist konstant gleich 2, und die Un­ tergrenze eines Eingangsspannungsbereichs ist gleich der Obergrenze des folgenden nächstkleineren Ein­ gangsspannungsbereichs. Für eine Auflösung von 78 dB sind ein 8-Bit Analog-Digital-Wandler für den niedrig­ sten Digitalisierungsbereich 8 und fünf 7-Bit Analog- Digital-Wandler für die anderen Digitalisierungs­ bereiche S notwendig. Gegenüber dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung kann so für die gleiche Auflösung bei gleicher Anzahl der eingesetzten Analog- Digital-Wandler die Bit-Wertigkeit von mehreren Analog-Digital-Wandlern um ein Bit verringert werden. Fig. 8 shows the distribution of digitizing step 5 of the analog-digital converter with a dung überlappfreien contiguity digitization regions 8, according to a further embodiment of the OF INVENTION. The factor Mi is constantly equal to 2, and the lower limit of an input voltage range is equal to the upper limit of the next next lower input voltage range. For a resolution of 78 dB, an 8-bit analog-digital converter for the lowest digitization range 8 and five 7-bit analog-digital converters for the other digitization ranges S are necessary. Compared to the first embodiment of the invention, the bit value of several analog-digital converters can be reduced by one bit for the same resolution with the same number of analog-digital converters used.

Die Fig. 9 zeigt die Auswahl des wandelnden Analog- Digital-Wandlers bei überlappenden Digitalisierungs­ bereichen 8 der Analog-Digital-Wandler. Es sind die Digitalisierungsstufen 5 von drei 4-Bit Analog-Digi­ tal-Wandlern dargestellt, deren Digitalisierungs­ bereiche mit 51, 52 und 53 bezeichnet sind. Fig. 9 shows the selection of the converting analog-to-digital converter with overlapping digitization areas 8 of the analog-to-digital converter. There are the digitization stages 5 of three 4-bit analog-Digi tal converters, the digitization areas with 51 , 52 and 53 are designated.

Ein großes analoges Eingangssignal 54 liegt an den drei durch ihre Digitalisierungsbereiche 51,52 und 53 gekennzeichneten ersten , zweiten und dritten Analog­ Digital-Wandlern an. Sowohl der zweite als auch der dritte Analog-Digital-Wandler generieren ein Overflow­ signal 15, so daß das digitalisierte Signal des ersten Analog-Digital-Wandlers ausgewählt wird.A large analog input signal 54 is present at the three first, second and third analog-digital converters identified by their digitization areas 51, 52 and 53 . Both the second and the third analog-digital converter generate an overflow signal 15 , so that the digitized signal of the first analog-digital converter is selected.

Ein mittleres analoges Eingangssignal 55 liegt an den drei Analog-Digital-Wandlern an. Nur der dritte Analog-Digital-Wandler generiert ein Overflowsig­ nal 15, so daß das digitalisierte Signal des zweiten Analog-Digital-Wandlers ausgewählt wird.A middle analog input signal 55 is present at the three analog-digital converters. Only the third analog-digital converter generates an overflow signal 15 , so that the digitized signal of the second analog-digital converter is selected.

Ein kleines analoges Eingangssignal 56 liegt an den drei Analog-Digital-Wandlern an. Keiner der Analog- Digital-Wandler generiert ein Overflowsignal 15, so daß das digitalisierte Signal des dritten Analog- Digital-Wandlers ausgewählt wird.A small analog input signal 56 is present on the three analog-digital converters. None of the analog-digital converters generates an overflow signal 15 , so that the digitized signal of the third analog-digital converter is selected.

Claims (6)

1. Verfahren zum Digitalisieren eines Analogsignals großer Dynamik mit einer amplitudenabhängigen Auf­ lösung mit mehreren Analog-Digital-Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß N Referenzspannungen bereit­ gestellt werden, wobei für den Spannungswert der i- ten Referenzspannung gilt, daß die Spannungsdifferenz zur vorhergehenden, (i-1)-ten Referenzspannung um einen Faktor Mi größer als die Spannungsdifferenz zur nächstfolgenden, (i+1)-ten Referenzspannung ist, wobei i eine natürliche Zahl zwischen 2 und N-1 darstellt, daß N Eingangsspannungsbereiche hergestellt werden, deren Spannungswert an der Obergrenze jeweils durch eine der N Referenzspannungen festgelegt wird, daß ein analoges Eingangssignal dem Eingangsspannungs­ bereich zugeordnet wird, bei dem zwischen dessen Ober­ grenze und dem Spannungswert des analogen Eingangs­ signal in Absolutwerten keine weitere Referenzspannung mehr liegt, daß das analoge Eingangssignal in dem ihm zugeordneten Eingangsspannungsbereich zu einem Digi­ talsignal umgewandelt wird und daß nur das so erhal­ tene Digitalsignal dieses Eingangsspannungsbereichs zum digitalen Ausgangssignal beiträgt. 1. A process for digitizing an analog signal great momentum with an amplitude dependent on solution with a plurality of analog-to-digital converters, characterized in that N reference voltages are provided, wherein for the voltage value of i - applies th reference voltage that the voltage difference to the previous, ( i -1) th reference voltage is a factor Mi greater than the voltage difference from the next, ( i +1) th reference voltage, where i represents a natural number between 2 and N -1, that N input voltage ranges are produced, the voltage value of which the upper limit is determined in each case by one of the N reference voltages that an analog input signal is assigned to the input voltage range in which there is no further reference voltage in absolute values between its upper limit and the voltage value of the analog input signal, that the analog input signal is in the range assigned to it Input voltage range too a Digi talsignal is converted and that only the thus obtained digital signal of this input voltage range contributes to the digital output signal. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Faktoren Mi eine Konstante sind und daß deren Wert größer als eins ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the factors Mi are a constant and that their value is greater than one. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannungswert an der Untergrenze aller Eingangsspannungsbereiche gleich Null ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that the voltage value at the lower limit of all input voltage ranges is zero. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannungswert an der Untergrenze eines jeden, außer des N-ten, Eingangsspannungsbe­ reichs gleich dem Spannungswert an der Obergrenze des nächstfolgenden Eingangsspannungsbereichs ist und daß der Spannungswert an der Untergrenze des N-ten Ein­ gangsspannungsbereichs gleich Null ist.4. The method of claim 1 or 2, characterized in that the voltage value at the lower limit of each, th except the N, Eingangsspannungsbe Reich equal to the voltage value at the upper limit of the next input voltage range and that the voltage value at the lower limit of N - input voltage range is zero. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spannungswert an der Untergrenze eines jeden Eingangsspannungsbereichs betragsmäßig dem Spannungswert an der Obergrenze desselben Ein­ gangsspannungsbereichs mit umgekehrter polarität entspricht.5. The method according to claim 1 or 2, characterized records that the voltage value at the lower limit of each input voltage range the voltage value at the upper limit of the same on voltage range with reverse polarity corresponds. 6. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß N Analog-Digital-Wandler (10) vor­ gesehen sind, die N Eingangsspannungsbereiche bilden und die mit einem analogen Eingangssignal (9) beauf­ schlagt sind, daß das analoge Eingangssignal (9) in ein gültiges digitales Signal (16) von den Analog- Digital-Wandlern (10) umgewandelt wird, bei denen es in deren Eingangsspannungsbereich liegt, daß die anderen Analog-Digital-Wandler (10) ein Steuer­ signal (15) generieren und daß das gültige digitale Signal (16) in einer Vereinigungsschaltung (17) als digitales Ausgangssignal (18) ausgewählt wird, dessen zugeordneter Eingangsspannungsbereich den kleinsten Maximalspannungswert und kein Steuersignal (15) aufweist.6. Device for performing the method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that N analog-digital converters ( 10 ) are seen before, which form N input voltage ranges and which are struck with an analog input signal ( 9 ) that the analog input signal ( 9 ) is converted into a valid digital signal ( 16 ) by the analog-to-digital converter ( 10 ), in which it is in their input voltage range that the other analog-to-digital converter ( 10 ) is a control generate signal ( 15 ) and that the valid digital signal ( 16 ) is selected in a combination circuit ( 17 ) as a digital output signal ( 18 ), the associated input voltage range of which has the smallest maximum voltage value and no control signal ( 15 ).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2706928A1 (en) * 1976-03-03 1977-09-08 Us Commerce ANALOG-DIGITAL CONVERSION METHOD AND SYSTEM
DE3611922A1 (en) * 1986-04-09 1987-10-22 Pierburg Gmbh & Co Kg Method and device for improving the resolution in the digitisation of an analog signal

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