DE3124333C2

DE3124333C2 -

Info

Publication number: DE3124333C2
Application number: DE3124333A
Authority: DE
Inventors: Rudy Johan Van De Eindhoven Nl Plassche
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1980-07-09
Filing date: 1981-06-20
Publication date: 1990-08-09
Also published as: JPS6412420B2; GB2080059B; IT1168138B; CA1175943A; GB2080059A; JPS5748827A; DE3124333A1; ES8204894A1; NL8003948A; FR2486734B1; FR2486734A1; HK64284A; IT8122769A0; ES503717A0; US4703310A

Description

Die Erfindung geht aus von einem Digital/Analog-Umsetzer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einem derartigen Digital/Analog-Umsetzer wird das aus der US-PS 39 82 172 und der US-PS 41 25 803 bekannte dynamische Permutationsprinzip benutzt, bei dem Ströme mit einem genauen gegenseitigen Stärkeverhältnis dadurch erzeugt werden, daß im wesentlichen gleiche einzelne Ströme zyklisch permutiert, Ausgängen zugeführt werden, wodurch die relative Abweichung jedes dieser einzelnen Ströme vom Mittelwert mit gleicher Häufigkeit pro Zyklus in jedem der Ausgangsströme erscheint. Die Gleichstromkomponente jeder der Ausgangsströme hat dann ein sehr genaues Stärkeverhältnis zu dem Mittelwert der einzelnen Ströme und somit zu jeder der Gleichstromkompo nenten der anderen Ausgangsströme. Die gegenseitigen Abweichungen der einzelnen Ströme vom Mittelwert erscheinen in diesen Ausgangsströmen als Wechselstrom komponente, die abhängig von der Permutationsfrequenz in bezug auf die höchste Signalfrequenz und abhängig von dem gegenseitigen Stärkeverhältnis der einzelnen Ströme gegebenenfalls störend sein kann.

Diese Wechselstromkomponenten können dadurch weggefiltert werden, daß jedem Ausgang der Permutationsschaltung ein Filterkondensator zugeordnet wird. Dadurch kann ohne Schwierigkeiten mit Hilfe der verbleibenden Gleichanteile der Ausgangsströme eine Digital/Analog-Umsetzung mit der Kombinationsschaltung durchgeführt werden. Ein Nachteil einer derartigen Filterung ist die erforderliche Anzahl der genannten Kondensatoren, z. B. 14 solcher Kondensatoren für einen 14-Bit-Digital/Analog-Umsetzer, die in den meisten Anwendungen, z. B. Anwendungen in der Audiotechnik, extern an einer integrierten Schaltung, in der ein solcher Digital/Analog-Umsetzer angeordnet ist, angebracht werden müssen, was dann eine Vielzahl zusätzlicher Anschlußstifte erfordert. Eine Filterung der Wechselstromkomponenten im analogen Ausgangssignal anstelle der einzelnen Ausgangs ströme ist nicht ohne weiteres möglich, da dann die Wechselstromkomponenten an den Ausgängen der Permutations schaltung mit dem digitalen Eingangssignal multipliziert werden, wodurch in dem Ausgangssignal des Digital/Analog- Umsetzers Intermodulationsprodukte auftreten, die nicht einfach mittels eines Kondensators ausgefiltert werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Digital/ Analog-Umsetzer anzugeben, in dem diese störenden Wechsel stromkomponenten beseitigt werden, ohne daß den Ausgängen der Permutationsschaltung Kondensatoren zugeordnet werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß - obgleich zunächst eine Filterung am Ausgang der Kombinationsschaltung nicht möglich erscheint, weil Kreuzmodulationskomponenten durch diese Wechselstrom komponenten und die Umschaltungen der Kombinations schaltung innerhalb des Signalspektrums entstehen können - eine Beseitigung dieser Wechselstromkomponenten durch das Ausmitteln des Ausgangssignals der Kombinationsschaltung über eine Periode, die entweder gleich der Permutationszykluszeit oder gleich einem ganzen Vielfachen derselben ist, möglich ist, wobei sich dann die Lage der Kombinationsschaltung innerhalb dieser Periode nicht ändern darf.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 das Prinzipblockschaltbild eines Digital/- Analog-Umsetzers nach der Erfindung,

Fig. 2 einige Signalformen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Umsetzers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines Analog/Digital- Umsetzers nach der Erfindung mit einer im Detail dargestell ten Ausführung der Ausmittelschaltung, und

Fig. 4 schematisch die Anwendung eines Digital/- Analog-Umsetzers nach der Erfindung in einem Analog/Digital- Umsetzer.

Fig. 1 zeigt das Prinzipblockschaltbild eines Digital/Analog-Umsetzers nach der Erfindung, wobei Fig. 2 einige Signalformen zur Erläuterung der Wirkungsweise des Umsetzers nach Fig. 1 darstellt.

Der Umsetzer enthält einen Generator zum Er zeugen einer Anzahl von Strömen mit einem genauen gegen seitigen Stärkeverhältnis - im vorliegenden Beispiel vier Ströme i₁, i₂, i₃ und i₄ mit z. B. den binär gewichteten Werten I₀, I _0/2, I _0/4 bzw. I _0/8 -, wie er z. B. in der US-PS 39 82 172 und der US-PS 41 25 803 beschrieben ist, wobei bemerkt wird, daß sowohl eine einfache Stufe als auch eine Kaskade derartiger bekannter Stufen (Fig. 6 der US-PS 39 82 172) angewandt werden kann. Der Generator enthält im allgemeinen eine mehrfache Stromquelle 1, die eine Anzahl im wesentlichen gleicher Ströme an eine Permutationsschaltung 2 liefert, die unter Steuerung einer Schaltung 3, z. B. eines Schieberegisters, ein derartiges sich zyklisch wiederholendes Verbindungsmuster erzeugt, daß an Ausgängen derselben die gewünschten Ströme i₁, i₂, i₃ und i₄ mit dem gewünschten gegenseitigen Stärkeverhältnis zur Verfügung stehen. Dies ist ausführlich in den genannten Patentschriften beschrieben. Auf diese Weise werden die Ströme i₁ bis i₄ erhalten, von denen die Ströme i₁ und i₄ sowie ein Taktsignal c₁, das die Schaltung 3 steuert, in Fig. 2 dargestellt sind. Die Ströme wiederholen sich im vorliegenden Beispiel periodisch über vier Schritte der Permutationsschaltung 2, wobei diese vier Schritte eine Zykluszeit T definieren. Jeder der Ströme weist eine ge wünschte Gleichstromstärke auf, der eine Wechselstrom komponente überlagert ist, die durch die gegenseitigen Abweichungen der von der Stromquelle 1 gelieferten Ströme bestimmt wird, wobei diese Wechselstromkomponente über die Zykluszeit T einen Mittelwert gleich Null aufweist.

Mit Hilfe einer solchen binär gewichteten Reihe von Strömen kann eine Digital/Analog-Umsetzung durchgeführt werden. Dazu ist eine Kombinationsschaltung 4 vorhanden, die auf den Befehl einer Steuerschaltung 5, deren digitales Eingangssignal über den Eingang 8 zugeführt wird, eine Anzahl der Ströme i₁ bis i₄ zu dem Ausgang 12 weiterschaltet, an dem somit ein analoger Ausgangsstrom i _a erscheint. In Fig. 2 ist dieser Strom i _a dargestellt, wenn nachein ander zu den Zeitpunkten t₀, t₁ und t₂ die digitalen Signale 1001 (die zugehörige Lage der Kombinationsschaltung 4 zeigt Fig. 1), 1010 und 1000 umgesetzt werden. Dabei ist ange nommen, daß die Steuerschaltung 5 von einem Taktsignal c₂ derart gesteuert wird, daß die Kombinationsschaltung 4 nur am Anfang jeweils eines Zyklus, also im vorliegenden Beispiel zu den Zeitpunkten t₀, t₁, t₂, t₃ ihre Lage ändern kann, so daß die Fehlerkomponente im Ausgangssignal i _a jeweils über einen Zyklus T einen Mittelwert gleich Null aufweist.

Das Ausgangssignal i _a wird einer Ausmittel schaltung 6 zugeführt, die im vorliegenden Beispiel annahme weise ein Integrator ist, der jeweils nach einem Zyklus T auf den Befehl eines Taktsignals c₃ auf einen Anfangswert zurückgesetzt wird. Das Ausgangsignal i _m dieser Ausmittel schaltung 6 weist dann einen sägezahnförmigen Verlauf nach Fig. 2 mit eine der Einfachheit halber nicht dargestellten Welligkeit infolge der Fehlerkomponente auf und hat jeweils nach einem Zyklus T einen Wert, als ob nur die Gleichstromkomponente (9/8 I₀, 10/8 I₀ bzw. I₀ im vorliegenden Beispiel) integriert wäre, weil die Fehlerkomponente über den Zyklus T einen Mittelwert gleich Null aufweist. Am Ende jedes Zyklus, also zu den Zeitpunkten t₀, t₁, t₂, t₃, wird der Integra tor 6 zurückgesetzt und gerade vor diesem Zurücksetzen auf den Befehl eines Taktsignals c₄ mit Hilfe einer Abtast- und Halteschaltung 7 der Endwert jedes Integrationszyklus abgetastet und festgehalten. Das Ausgangssignal i₀ am Ausgang 9 entspricht dann dem Signal i _a ohne Fehlerkomponente und ist über einen Zyklus T verschoben.

Ein Taktgenerator 11 liefert - z. B. mit einem Oszillator 10 als Referenz - die unterschiedlichen Takt signale c₁ bis c₄. Es versteht sich, daß in der Praxis zwischen den Signalen c₁ bis c₄, die in Fig. 2 als gleich zeitig auftretend dargestellt sind, nötigenfalls Verzöge rungen herbeigeführt werden müssen, z. B. um sicherzustellen, daß die Abtastung vor dem Zurücksetzen der Ausmittel schaltung 6 stattfindet. Nötigenfalls kann dazu zwischen die Integrationszyklen eine Wartezeit von z. B. einer Periode des Taktsignals c₁ eingeführt werden. Auch kann der Genauig keit halber, wenn die zur Verfügung stehende Bandbreite es gestattet, über mehrere Zyklen ausgemittelt werden, wobei dann auch die digitale Dateneingabe über die Schal tung 5 nur einmal während mehreren Zyklen stattfinden kann, was auch für die Abtastung zutrifft.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Digital/- Analog-Umsetzers nach der Erfindung mit einem im Detail dargestellten Beispiel einer Ausmittelschaltung 6. Darin ist als Block 13 der Teil der Schaltung nach Fig. 1 mit den Schaltungen 1, 2, 3, 4 und 5 dargestellt. Die Ausmittel schaltung 6 enthält einen Operationsverstärker 18 mit einem Kondensator 16 zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang, wobei dieser Kondensator 16 von einem Rücksetz schalter 17, der auf den Befehl des Taktsignals c₃ be tätigt wird, überbrückt ist. Der Ausgang 12 des eigentlichen Digital/Analog-Umsetzers 13 ist mit dem einen Anschluß eines Umschalters 15, der vom Taktsignal c₃ gesteuert wird, verbunden; der andere Anschluß dieses Schalters ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 18 und der gemeinsame Anschluß mit dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers 18 und mit Masse verbunden. Die Schalter 15 und 17 sind in der Praxis meistens Schalttransistoren, wie Feldeffekttransistoren.

Während einer Ausmittelperiode T befinden sich die Schalter 15 und 17 in der dargestellten Lage. Der Ausgangsstrom i _a des Digital/Analog-Umsetzers 13 lädt dann den Kondensator 14 auf, wobei die vorhandene Wechselstrom komponente beim Aufladen während eines Zyklus T beseitigt wird. Am Ende jeweils eines Zyklus schaltet der Schalter 15 um und öffnet sich der Schalter 17. Durch die Wirkung des Operationsverstärkers 18 wird die Ladung, die auf dem Kondensator 14 vorhanden ist, auf den Kondensator 16 über tragen, und am Eingang der Abtastschaltung 7 liegt eine Spannung, die ein Maß für den Mittelwert des Signals i _a über einen Zyklus T ist. Nachdem ein Abtastwert von der Abtastschaltung 7 geliefert ist, schalten die Schalter 15 und 17 wieder in die dargestellte Lage um und wird der Kondensator 16 entladen.

Fig. 4 zeigt die Anwendung eines Digital/- Analog-Umsetzers nach der Erfindung in einem Analog/Digital- Umsetzer nach dem Prinzip der schrittweisen Approximation, das darauf beruht, daß der Digital/Analog-Umsetzer 13 am Eingang 8 ein digitales Signal empfängt und das daraus gebildete analoge Signal am Ausgang 12 mit dem umzu setzenden analogen Signal I _a mit Hilfe eines Komparators 20 verglichen wird, wonach, abhängig von dem Vergleich, über einen Digitalsignalgenerator 21 das digitale Signal am Eingang 8 geändert und dieser Vorgang nacheinander eine Anzahl Male wiederholt wird, bis das digitale Signal am Eingang 8 möglichst mit dem analogen Signal I _a überein stimmt, wobei dieses digitale Signal dann den digitalen Wert des analogen Signals I _a darstellt.

Das Prinzip nach der Erfindung wird in dieser Ausführungsform dadurch angewendet, daß am Eingang des Komparators 20 eine integrierte Kapazität 21 vorhanden ist, die mittels eines von dem Taktsignal c₃ gesteuerten Schalters 22 nach jeweils einem Zyklus T entladen wird. Dem Komparator 20 wird dabei das Taktsignal c₄ zugeführt, um jeweils nur am Ende einer Ausmittelperiode einen Vergleich durchzuführen.

Die Ausmittelperiode braucht nicht genau - wie in Fig. 2 dargestellt - zu dem Permutationszyklus gleich phasig zu sein. Die einzige Bedingung ist, daß die Aus mittelperiode eine gleiche Dauer wie der Permutations zyklus oder ein ganzes Vielfaches desselben aufweist.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellten Ausführungsformen. Die Ausführungen einer Ausmittelschaltung, einer Abtastschaltung u. dgl. beruhen als solche auf bekannten Techniken.

Claims

1. Digital/Analog-Umsetzer zum Umsetzen eines digitalen Eingangssignals in ein durch das digitale Eingangssignal bestimmtes analoges Ausgangssignal, mit
einer Stromquellenschaltung zum Erzeugen einer Anzahl von Strömen im wesentlichen gleicher Stärke,
einer Permutationsschaltung, die in einer Zykluszeit in einem zyklisch permutierenden Muster diese Ströme zu ihren Ausgängen schaltet und die an ihren Ausgängen Ströme liefert, deren Gleichstromkomponenten ein bestimmtes Stärkeverhältnis zueinander aufweisen und welche mit einer Wechselstromfehlerkomponente beaufschlagt sind, die durch die Ungleichheit in den von der Stromquellenschaltung erzeugten Strömen bestimmt wird, und
einer Kombinationsschaltung, die als Funktion des digitalen Eingangssignals das analoge Ausgangssignal aus den an den Ausgängen der Permutationsschaltung zur Verfügung stehenden Strömen zusammensetzt,
gekennzeichnet durch
eine Ausmittelschaltung, welche die Wechselstromfehler komponente im Ausgangssignal der Kombinationsschaltung ausmittelt, wobei die Zeit für eine Ausmittelung gleich oder einem ganzen Vielfachen der Zykluszeit ist,
eine Abtastschaltung, die jeweils am Ende einer Ausmittel zeit das Ausgangssignal dieser Ausmittelschaltung abtastet, und
eine Synchronisationsschaltung zum Synchronisieren der Ausmittelschaltung mit der Permutationsschaltung derart, daß die Ausmittelzeit gleich oder einem ganzen Vielfachen der Zykluszeit ist, und zum Synchronisieren der Kombina tionsschaltung mit der Ausmittelschaltung derart, daß die Kombinationsschaltung während der Ausmittelzeit die Zusammensetzung der Ströme nicht ändert.

2. Digital/Analog-Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausmittelschaltung einen Integrator mit einem Rücksetzschalter enthält, der jeweils am Ende einer Ausmittelperiode diesen Integrator zurück setzt.

3. Digital/Analog-Umsetzer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator einen Operationsverstärker mit einem ersten Kondensator zwischen dem Ein- und dem Ausgang enthält, daß der Rücksetz schalter diesen ersten Kondensator überbrückt und daß ein zweiter Kondensator und ein Umschalter vorhanden ist, der den zweiten Kondensator mit dem Ausgang der Kombinations schaltung während der Ausmittelperiode und mit dem Eingang des Operationsverstärkers am Ende jeweils einer Ausmittel periode verbindet.

4. Digital/Analog-Umsetzer nach Anspruch 1 für einen Analog/Digital-Umsetzer, wobei ein analoger Signalstrom eingang mit dem Ausgang der Kombinationsschaltung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelschaltung eines Integrationskondensators und eines Rücksetzschalters mit dem Ausgang der Kombinationsschaltung und mit dem Eingang eines jeweils am Ende einer Ausmittelperiode getakteten Komparators verbunden ist, dessen Ausgang einen digitalen Signalgenerator steuert, der ein digitales Signal an den Eingang des Digital/Analog-Umsetzers liefert.