DE10139089C2 - Signalgenerator insbesondere zum Erzeugen eines Dithersignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalgenerator, insbesondere zum Erzeugen eines Dithersignals für einen Analog/Digital- Wandler, nach Gattung des Anspruchs 1.

Die Verwendung eines Frequenzumtastgenerators zum Erzeugen eines Dithersignals ist beispielsweise aus der US 5,525,984 bekannt. Dithersignale dienen der Verringerung von Quantisierungsfehlern und anderen systematischen Nichtlinearitäten von Analog/Digital-Wandlern und werden zu dem eigentlich zu digitalisierenden Basissignal addiert, so daß das resultierende Signal aus der Summe von Basissignal und Dithersignal an den Analog/Digital-Wandler übermittelt wird. In der US 5,525,984 ist vorgeschlagen, einen Frequenzumtastgenerator zu verwenden, der sinusförmige Signale verschiedener Frequenzen erzeugen kann. Die jeweils verwendete Frequenz wird mittels eines Pseudorandomgenerators bestimmt. Mittels einer Bitsequenz des Pseudorandomgenerators wird weiterhin in einem Verstärker die Amplitude des von dem Frequenzumtastgenerator erzeugten Sinussignals moduliert. Das so erzeugte frequenz- und amplitudenmodulierte Dithersignal wird dann zu dem Basissignal addiert und das resultierende Signal zur weiteren Verarbeitung dem Analog/Digital-Wandler zugeführt.

Nachteilig an dem bekannten Signalgenerator für Dithersignale ist die Gleichverteilung der auftretenden Frequenzen. Durch die Gleichverteilung der Zeitanteile der einzelnen Sinusfrequenzen ist das Frequenzspektrum sehr scharf um die Grundfrequenzen des Sinusgenerators verteilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Signalgenerator mit einem im Bereich einer bevorzugten Grundfrequenz verbreiterten Frequenzspektrum zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Signalgenerators mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Signalgenerators liegt in der statistischen Übergewichtung des Zeitanteils zumindest einer bestimmten Frequenz eines Frequenzumtastgenerators. Dadurch wird das Frequenzspektrum des Signalgenerators um eine bevorzugte Grundfrequenz des Frequenzumtastgenerators, welche durch die statistische Übergewichtung betont wird, verbreitert. Das resultierende Frequenzspektrum kommt einem idealen Rauschsignal damit näher, ohne daß ein Einsatz stark temperaturabhängiger Rauschquellen, wie beispielsweise einer Diode, erforderlich ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Signalgenerators möglich.

Insbesondere ist die Verwendung der durch einen Pseudorandomgenerator erzeugten pseudozufälligen Bitsequenz in Verbindung mit einem aus Komparator und Integrator aufgebauten Dreiecksgenerator als Frequenzumtastgenerator vorteilhaft. Damit wird eine preiswerte Lösung zum Erzwingen einer statistischen Übergewichtung bestimmter Frequenzen erreicht, ohne daß ein zusätzlicher Bauteileaufwand erforderlich ist. Die zum Bau eines solchen Signalgenerators erforderlichen Bauteile weisen eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen auf, so daß eine Temperaturkompensation nicht nötig ist.

In den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Signalgenerators dargestellt und ausführlich erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Signalgenerators;

Fig. 2 eine Darstellung zweier durch einen Frequenzumtastgenerator erzeugter Dreiecksignale;

Fig. 3 ein Frequenzspektrum eines mit zwei Dreiecksignalen unterschiedlicher Frequenz arbeitenden Signalgenerators; und

Fig. 4 eine beispielhafte Darstellung eines durch einen erfindungsgemäßen Signalgenerator erzeugten Ausgangssignals.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Signalgenerators 1 dargestellt. Der Signalgenerator 1 ist aus einem Frequenzumtastgenerator 2 und einem Pseudorandomgenerator 3 ausgebildet. Mittels eines Schieberegisters 4 wird eine Bitfolge erzeugt, wobei der Wert eines bestimmten Bits des Schieberegisters 4 jeweils eine Frequenz des Frequenzumtastgenerators 2 einstellt. Das Schieberegister 4 ist hierzu über eine Leitung 5 mit einer Umtasteinrichtung 6 des Frequenzumtastgenerators 2 verbunden.

Zur Erzeugung der neuen Werte des Schieberegisters 4 ist das Schieberegister 4 im Ausführungsbeispiel über ein "exklusives Oder-Gatter" (XOR-Gatter) 7 rückgekoppelt. Als Eingänge für das XOR-Gatter werden bestimmte Bits des Schieberegisters 4 verwendet, vorzugsweise das ausgangsseitig letzte und je nach Anzahl der Schieberegisterstufen ein oder mehrere andere Bits. Die Erzeugung neuer Bitwerte erfolgt mit einem vorgegebenen Takt T durch einen Taktgeber 8, der mit einem Takteingang 9 des Schieberegisters 4 verbunden ist. Die Taktung des Schieberegisters 4 wird solange von dem externen Taktgeber 8 bestimmt, wie ein "Enable"-Eingang 10 des Schieberegisters 4 durch ein Enable-Signal E gesetzt ist. Ist der Enable- Eingang 10 des Schieberegisters 4 nicht gesetzt, so wird die Erzeugung neuer Bits in dem Schieberegister 4 ausgesetzt und der die Frequenz des Frequenzumtastgenerators 2 bestimmende Wert des letzten Bits bleibt erhalten.

Der Frequenzumtastgenerator 2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel für zwei Frequenzen f₁ und f₂ ausgelegt und über eine Umtasteinrichtung 6, welche zwei Zustände entsprechend dem Wert eines Bits des Schieberegisters 4 annehmen kann, über eine Leitung 5 mit dem Schieberegister 4 verbunden. Zur Erzeugung der Dreiecksignale ist der Frequenzumtastgenerator 2 aus einem Integrator 11 und einem Komparator 12 aufgebaut. Über zwei Widerstände 13a und 13b ist die Hysterese des Komparators 12 einstellbar, die letztlich die Amplitude des Dreieckssignals bestimmt. Die Umtasteinrichtung 6 ist eingangsseitig mit dem Ausgang des Komparators 12 verbunden. Anstelle eines im dargestellten Ausführungsbeispiel verwendeten schnellen Komparators 12 kann auch ein "LVDS" ("Low-Voltage-Differential-Signaling")- Empfänger verwendet werden.

Die Einstellung der Frequenzen f₁ und f₂ des Frequenzumtastgenerators 2 erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel durch das eingangsseitige Verbinden des Integrators 11 mit jeweils einem der beiden Widerstände 14a oder 14b, wobei die Steilheit der Flanken der Dreiecksignale 18a und 18b und damit deren Frequenzen f₁ und f₂ von der Größe der Widerstände 14a bzw. 14b abhängt. Anstelle der Verwendung des Werts eines bestimmten Bits zur Festlegung von einer zweier möglicher Frequenzen f₁ und f₂ ist auch die Verwendung eines Bitworts des Schieberegisters 4 denkbar, mit dem eine erweiterte Umtasteinrichtung 6 für mehr als zwei Frequenzen ansteuerbar ist.

Über eine Ausgangsleitung 15 ist der Ausgang des Integrators 11 mit einem Tiefpaßfilter 16 verbunden. Das auf der Ausgangsseite des Tiefpaßfilters 16 an einer Signalausgangsleitung 17 verfügbare Signal wird der weiteren Verarbeitung zugeführt, beispielsweise einem Addierer um einem Basissignal das erzeugte Dithersignal vor einer durchzuführenden Analog-Digital-Wandlung zuzufügen.

Ohne den erfindungsgemäßen Aufbau würde durch die gleiche Wahrscheinlichkeit, mit der durch das rückgekoppelte Schieberegister 4 die Bitwerte "0" und "1" erzeugt werden, der Frequenzumtastgenerator 2 zu gleichen Zeitanteilen mit den beiden Frequenzen entsprechend den Widerständen 14a bzw. 14b betrieben, da für jeden Takt T des Taktgenerators 8 ein neuer Bitwert erzeugt wird. Die beiden Frequenzen seien eine erste Frequenz f₁ und eine zweite Frequenz f₂, wobei für die nachstehende Beschreibung f₁ kleiner als f₂ sei, und die erste Frequenz f₁ für einen an der Umtasteinrichtung 6 anliegenden Wert "1" des Ausgangssignals 5 des Schieberegisters 4 erzeugt wird.

Zwei Dreiecksignale 18a und 18b mit der ersten bzw. zweiten Frequenz f₁ und f₂ sind beispielhaft in der Fig. 2 als Spannungsverlauf über der Zeit t aufgetragen. Die Amplituden der beidem Dreieckssignale 18a und 18b mit der ersten und zweiten Frequenz f₁ und f₂ sind identisch und liegen bei durch die Widerstände 13a und 13b festgelegten Werten +H und -H symmetrisch bezüglich der Nullinie.

Das Umtasten des Frequenzumtastgenerators 2 durch die Bitfolge des Schieberegisters 4 erfolgt mit einer durch den Taktgenerator 8 vorgegebenen Umtastfrequenz, die größer ist als die größte durch den Frequenzumtastgenerator 2 erzeugte Frequenz f₂. Ein Ausschnitt eines Frequenzspektrums eines Ausgangssignals, welches entsprechend den vorstehenden Ausführungen mit gleichen Zeitanteilen das Dreiecksignal 18a mit der ersten Frequenz f₁ und das Dreieckssignal 18b mit der zweiten Frequenz f₂ enthält, ist in der Fig. 3 als durchgezogene Linie 19 dargestellt. Wird nun der Zeitanteil der niedrigeren ersten Frequenz f₁ erfindungsgemäß statistisch übergewichtet, so ergibt sich als Frequenzspektrum der gepunktet dargestellte Verlauf 20 der Frequenzverteilung. Zusätzlich dargestellt ist eine Kennlinie 21 des Tiefpaßfilters 16.

Ein Ausschnitt eines Ausgangssignals des Signalgenerators 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Oberhalb des Signalverlaufs 22 des Ausgangssignals ist der eingangsseitig an der Umtasteinrichtung 6 anliegende Wert des Ausgangssignals 5 des Schieberegisters 4 dargestellt. Das Ausgangssignal 5 ist entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Bitwerte, und damit der Beschaltung des Integrators 11 durch die Umtasteinrichtung 6, aus aufeinanderfolgenden Abschnitten von Dreiecksignalen 18a und 18b gebildet. Die einzelnen Abschnitte weisen dabei zeitliche Ausdehnungen auf, die jeweils ganzzahlige Vielfache eines durch die Taktdauer ΔT vorgegebenen Grundabschnitts sind.

Zur Erzeugung einer erfindungsgemäßen statistischen Übergewichtung des Zeitanteils des Bitwerts "1" des Ausgangssignals 5 des Schieberegisters 4 ist mit dem externen Taktgeber 8 zusätzlich ein Zähler 23 verbunden, dessen Ausgang 26 mit dem Enable-Eingang 10 des Schieberegisters 4 verbunden ist. Ein erster Eingang 24 des Zählers 23 ist weiterhin mit der Leitung 5 verbunden, so daß der Wert des die Frequenz bestimmenden Bits ebenfalls an dem Zähler 23 anliegt. Der Zähler 23 zählt die Impulse des Taktsignals T und wird durch den Zustand "1" des Signals an seinem Eingang 24 gestartet. Gleichzeitig wird der Ausgang 26 zurückgesetzt. Die Anzahl der Taktimpulse T bis zu welcher der Zähler 23 zählt, und bei deren Erreichen der Zustand seines Ausgangs 26 wieder gesetzt wird, wird durch die Bitwerte auf den Leitungen 25 vorgegeben. Die Leitungen 25 stellen Abgriffe bestimmter Stufen des Schieberegisters 4 dar. Ist der Wert an dem ersten Eingang 24 beispielsweise "1", so daß der Frequenzumtastgenerator 2 ein Dreiecksignal 18a mit der ersten Frequenz f₁ erzeugt, so wird für eine vorbestimmte Zeitdauer der Enable-Eingang 10 zurückgesetzt. Die Erzeugung neuer Bitwerte in dem Schieberegister 4 wird dadurch ausgesetzt und durch das Aufrechterhalten des Werts des letzten Bits des Schieberegisters 4 erzeugt der Frequenzumtastgenerator 2 weiterhin das Dreiecksignal 18a mit der ersten Frequenz f₁.

Nach Ablauf der durch die Bitwerte auf den Leitungen 25 statistisch wechselnd vorbestimmten Zeitdauer wird der Enable-Eingang 10 des Schieberegisters 4 wieder gesetzt und die Erzeugung neuer Bitwerte wird wieder durch den Taktgeber 8 zeitlich gesteuert. Die vorbestimmte Zeitdauer ist somit pseudozufällig gesteuert, indem durch den Zähler 23 eine Bitsequenz über die Leitungen 25 als pseudozufälliges Bitwort eingelesen wird. Schematisch angedeutet in Fig. 1 ist die Verwendung von drei z. B. aufeinanderfolgenden Bits des Schieberegisters 4. Durch das Bitwort wird die Zeitdauer, für die der Enable-Eingang 10 zurückgesetzt ist, als Vielfaches der Taktperiode ΔT des Taktgenerators 8 festgelegt. Der Zähler 23, der seinerseits über den externen Taktgeber 8 getaktet ist, setzt hierfür den Enable-Eingang 10 des Schieberegisters 4 die entsprechende Anzahl Takte zurück. Damit ist die Erzeugung neuer Bitwerte für die vorbestimmte Zeitdauer ausgesetzt.

Die Verlängerung der Zeitdauer der Abschnitte, in denen der Frequenzumtastgenerator 2 ein Signal mit der ersten Frequenz f₁ erzeugt, ist durch die Verwendung einer pseudozufälligen Bitfolge des Schieberegisters 4 ebenfalls pseudozufällig. Damit ist die Übergewichtung des Zeitanteils des Signals 18a mit der ersten Frequenz f₁ nicht durch einen festen Faktor vorgegeben, sondern erfolgt statistisch verteilt.

Der Verlauf des Eingangswerts der Umtasteinrichtung 6, der in der Fig. 4 dargestellt ist, ergibt sich also aus einer zufälligen Aneinanderreihung von Bitwerten durch den Pseudorandomgenerator 3. Jedes Bit des Pseudorandomgenerators 3 wird über die Zeitdauer ΔT bzw. eines ganzzahligen Vielfachen davon ausgegeben. Dabei wird jeder Bitwert "0" des Pseudorandomgenerators 3 nur während einer Taktperiode ΔT ausgegeben, so daß der Wert "0" nur dann eine Frequenz f₂ über mehrere Grundabschnitte erzeugt, wenn mehrere Bits mit dem Wert "0" in dem Pseudorandomgenerator 3 aufeinanderfolgend erzeugt wurden. Hingegen wird jeder Bitwert "1" während eines ganzzahligen Vielfachen der Taktperiode ΔT ausgegeben, das vom Zustand der Leitungen 25 abhängig ist. Erzeugt der Pseudorandomgenerator 3 mehrmals hintereinander den Bitwert "1", wird die Frequenz f₁ auch mehrmals hintereinander unabhängig voneinander über jeweils mehrere Grundabschnitte ausgegeben.

Der erfindungsgemäße Signalgenerator 1 ist insbesondere geeignet, die niedrigere von zwei möglichen Frequenzen f₁ und f₂ statistisch überzugewichten, um ein Dithersignal zu erzeugen, dessen bandbegrenztes Frequenzspektrum unterhalb der Frequenz des zu digitalisierenden Basissignals liegt. Eine nicht weiter ausgeführte Umkehrung des Prinzips ist jedoch ebenso möglich. Anstelle eines nachgeordneten Tiefpaßfilters 16 und einer statistischen Übergewichtung der niedrigeren Frequenz f₁, wird dann die höhere Frequenz f₂ übergewichtet und ein Bandpaßfilter nachgeschaltet.

Claims (10)

1. Signalgenerator, insbesondere zum Erzeugen eines Dithersignals für einen Analog/Digital-Wandler, mit einem Pseudorandomgenerator (3) zum Erzeugen einer pseudozufälligen Bitsequenz, wobei in Abhängigkeit von dem Wert zumindest eines bestimmten Bits der pseudozufälligen Bitsequenz ein Frequenzumtastgenerator (2) zwischen zumindest einer ersten und einer zweiten Frequenz (f₁, f₂) umtastbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitanteil, in dem der Frequenzumtastgenerator (2) ein Signal (18a) mit der ersten Frequenz (f₁) erzeugt, im Vergleich zu dem Zeitanteil, in dem der Frequenzumtastgenerator (2) ein Signal (18b) mit der zweiten Frequenz (f₂) erzeugt, statistisch übergewichtet ist.

2. Signalgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übergewichtung des Zeitanteils der ersten Frequenz (f₁) die Erzeugung der pseudozufälligen Bitsequenz für eine vorbestimmte Zeitdauer aussetzbar ist.

3. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pseudorandomgenerator (3) aus einem rückgekoppeltem Schieberegister (4) und einem Zähler (23), sowie einem Taktgeber (8) zur Vorgabe eines Takts (T) für das Schieberegister (4) und den Zähler (23) ausgebildet ist.

4. Signalgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz des Taktgebers (8) größer ist, als die größte Signalfrequenz (f₂) des Frequenzumtastgenerators (2).

5. Signalgenerator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer des Aussetzens der Erzeugung der pseudozufälligen Bitsequenz durch den Zähler (8) vorbestimmbar ist.

6. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Zähler (23) in Abhängigkeit von einer Bitfolge des Schieberegisters (4) eine jeweils unterschiedliche Zeitdauer vorbestimmbar ist.

7. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktung des Schieberegisters (4) durch den Taktgeber (8) erfolgt, wenn ein Enable-Eingang (10) des Schieberegisters (4) gesetzt ist.

8. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aussetzen der Erzeugung der pseudozufälligen Bitsequenz ein Enable-Eingang (10) des Schieberegisters (4) durch ein von dem Zähler (23) erzeugtes Enable-Signal (E) rücksetzbar ist.

9. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumtastgenerator (2) ein Dreieckgenerator für zumindest zwei Frequenzen (f₁, f₂) ist.

10. Signalgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreieckgenerator (2) einen Integrator (11) einen Komparator (12), sowie eine Umtasteinrichtung (6) umfaßt.