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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Wandlung eines Analogsignals
in ein Digitalsignal mit automatischer Verstärkungsregelung Die Erfindung
läßt sich
vorteilhaft auf den Bereich der Sprachverarbeitung und -übertragung,
beispielsweise bei Videokonferenzsitzungen, anwenden, ist aber nicht
darauf beschränkt.
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1 zeigt
auf schematische Weise eine Vorrichtung des Stands der Technik,
die dafür
vorgesehen ist, mit automatischer Verstärkungsregelung ein analoges
Signal in ein digitales Signal zu wandeln. Im einzelnen weist diese
Vorrichtung einen Analog/Digital-Wandler ADC auf, der am Eingang das
analoge Signal SA empfängt
und am Ausgang ein digitales Signal SI ausgibt, das mit der Ausgangsabtastfrequenz
Fs abgetastet ist. Die Abtastwerte @ des digitalen Signals SI werden
nacheinander an eine Einrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung
AGC geschickt, die am Ausgang ein digitales Signal SS ausgibt, dessen
Abtastwerte @ eine Amplitude haben, die gleich dem Produkt aus der
Amplitude der Abtastwerte am Eingang mit einem Verstärkungsfaktor
ist.
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Wenn
die Amplitude des analogen Signals SA und folglich die Amplitude
des digitalen Signals SI (Pegel der Abtastwerte) ansteigt, wird
die Einrichtung AGC dann den Wert des Verstärkungsfaktors anpassen, um
am Ausgang wieder Abtastwerte zu bekommen, deren Pegel gleich dem
Pegel der Abtastwerte vor dem Amplitudensprung ist.
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2 zeigt
auf schematische Weise eine solche Einrichtung AGC des Stands der
Technik. Diese weist am Eingang einen Multiplizierer auf, der einerseits
im Takt der Abtastfrequenz Fs die von dem Wandler ADC ausgegebenen
Abtastwerte des digitalen Signals SI und anderseits das Ausgangssignal
eines Auf-/Abwärtszählers CDC
empfängt,
dessen Eingang über
einen Kompa rator CMP mit dem Ausgang des Multiplizierers in einer
Schleife zurück
verbunden ist. Der andere Eingang des Komparators CMP empfängt eine
feste, aber programmierbare Schwelle TH. Im Betrieb wird, wenn der
Pegel der Ausgangsabtastwerte oberhalb der Schwelle TH ist, der
Wert des Auf-/Abwärtszählers CDC,
das heißt
der Verstärkungsfaktor,
im Takt der Arbeitsfrequenz des Auf-/Abwärtszählers CDC (eine Arbeitsfrequenz,
die weit oberhalb der Abtastfrequenz Fs ist) stufenweise verringert.
Wenn dagegen der Pegel des Ausgangsabtastwerts unterhalb der Schwelle
TH ist, wird der Wert des Auf-/Abwärtszählers stufenweise erhöht.
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Als
Antwort auf eine plötzliche
Erhöhung
des Amplitudenpegels des analogen Signals ist allgemein vorgeschrieben,
daß die
Amplitude des von der Einrichtung AGC ausgegebenen digitalen Signals
SS am Ende einer vorgegebenen Zeitdauer Tatt, die je nach Anwendung
variiert, auf den Anfangswert zurück gekehrt sein muß.
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Der
für die
Dauer Tatt vorgeschriebene Wert wird dadurch erhalten, daß die Einschaltzeit
des Auf-/Abwärtszählers innerhalb
jeder Abtastperiode Ts moduliert wird.
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Gemäß den Anwendungen
kann diese Dauer Tatt kurz und kleiner als die Abtastperiode Ts
sein, die der Abtastfrequenz Fs entspricht.
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Da
in diesem Fall die Einrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung
AGC den Verstärkungsfaktor
mehrere Male während
der Abtastperiode Ts korrigieren wird und da während dieser Abtastperiode
der Pegel des Eingangsabtastwerts (und folglich der am ± Eingang
des Komparators anliegende Pegel des Ausgangsabtastwerts) konstant
ist, kann es keine Konvergenz der Einrichtung AGC geben. Mit anderen
Worten kann die Einrichtung AGC nicht mehr geeignet reagieren, wie
in 3 gezeigt ist. In der Tat ist in dieser 3 zu
sehen, daß im
Verlaufe der Abtastperiode Ts, an deren Anfang das von dem Wandler
ausgegebene digitale Signal SI einen Amplitudensprung gemacht hat,
der Pegel des Ausgangssignals SS der Einrichtung AGC ebenfalls einen
Amplitudensprung macht, dann konstant bleibt. Während dieser Periode nimmt
der Verstärkungsfaktor
kontinuierlich ab. Und wenn am Anfang der nächsten Abtastperiode der nächste Abtastwert
des Signals SI am Eingang der Einrichtung AGC bereitgestellt wird,
stürzt
der Pegel des Signals SS plötzlich ab
bis unter den Anfangspegel NI, bevor er im Verlaufe der folgenden
Abtastperioden allmählich
wieder auf diesen Anfangspegel NI ansteigt. Es entsteht dann gewissermaßen ein
Pumpeffekt an der Verstärkung,
was sich in Anwendungen der Sprachverarbeitung als hörbare Oszillationen äußert.
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Die
Erfindung zielt darauf ab, diesem Problem eine Lösung zuzuführen.
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Die
Erfindung schlägt
daher ein Verfahren zur Wandlung eines Analogsignals in ein Digitalsignal mit
automatischer Verstärkungsregelung
vor, wobei das Analogsignal am Eingang eines Analog/Digital-Wandlers
des Typs Delta-Sigma, der eine Ausgangsabtastfrequenz hat, bereitgestellt
wird und die automatische Verstärkungsregelung
im Wandler nach dem Delta-Sigma-Modulator
des Wandlers an einem abgetasteten digitalen Zwischensignal ausgeführt wird,
das eine Zwischenabtastfrequenz hat, die höher ist als die Ausgangsabtastfrequenz.
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Die
Erfindung sieht mit anderen Worten die Verwendung eines Analog/Digital-Wandlers
des Typs Delta-Sigma zur Ausführung
der Analog/Digital-Wandlung und in Kombination damit die Ausführung der
automatischen Verstärkungsregelung
in diesem Wandler vor, wobei die besondere Eigenschaft eines Delta-Sigma-Wandlers
verwendet wird, digitale Signale bereitzustellen, die im Vergleich
zur Ausgangsabtastfrequenz überabgetastet
sind. Somit erlaubt die Tatsache, die automatische Verstärkungsregelung
an den Zwischenabtastwerten auszuführen, die mit einer Zwischenabtastfrequenz
bereitgestellt werden, die höher
ist als die Ausgangsabtastfrequenz, Dauern Tatt zu erzielen, die
gering und kleiner als die Abtastperiode des erzeugten digitalen
Abtastsignals sind (Abtastperiode entsprechend der Ausgangsabtastfrequenz
des Wandlers), wobei der Pumpeffekt des Stands der Technik vermieden
wird.
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Theoretisch
könnte
die automatische Verstärkungsregelung
an jedem Punkt, der nach dem Delta-Sigma-Modulator angeordnet ist,
und insbesondere direkt am Ausgang des Delta-Sigma-Modulators ausgeführt werden.
Um jedoch eine höhere Genauigkeit
zu erzie len, ist bevorzugt, die automatische Verstärkungsregelung
an Zwischenabtastwerten auszuführen,
die eine relativ große
Anzahl an Bits (bessere Auflösung)
haben. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, diese automatische Verstärkungsregelung
an den Abtastwerten des Zwischensignals auszuführen, das von einem Kammreduzierfilter
ausgegeben wird, das mit dem Ausgang des Delta-Sigma-Modulators verbunden ist.
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In
bestimmten Anwendungen ist es erforderlich, eine Vorkalibrierungsphase
des Wandlers durchzuführen,
um eine Verschiebung (Offset) zu berücksichtigen, die von dem Delta-Sigma-Modulator eingeführt wird.
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Wenn
eine solche Vorkalibrierungsphase erforderlich ist, sieht die Erfindung
in einer speziellen Ausführungsform
vor, am Eingang des Wandlers ein analoges Signal einer Kalibrationskonstanten
bereitzustellen und an einem Ort des Wandlers, nachstehend als Kalibrierungsort
bezeichnet, der zwischen dem Modulator und der Stelle angeordnet
ist, wo die automatische Verstärkungsregelung
ausgeführt
wird, aus den an diesem Kalibrierungsort bereitgestellten digitalen
Abtastwerten ein digitales Kalibrierungswort auszuarbeiten. Sobald
einmal dieser Kalibrierungsschritt ausgeführt worden ist, wird außerdem von
jedem Abtastwert, der dem Kalibrierungsort zugeführt wird und der von dem zu
wandelnden analogen Eingangssignal stammt, das digitale Kalibrierungswort subtrahiert,
um so digitale Zwischenabtastwerte zu erzeugen, an welchen die automatische
Verstärkungsregelung
ausgeführt
wird.
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Der
Kalibrationsoffset wird mit anderen Worten an einem Ort berechnet,
der sich vor der automatischen Verstärkungsregelung befindet und
nicht nach dieser Regelung, so daß die Berechnung dieses Kalibrationsoffsets
unabhängig
von Werten des Verstärkungsfaktors
ausgeführt
wird, welche die Einrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung AGC
nehmen kann.
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Außerdem könnte sich
der Ort der Kalibrierung noch direkt am Ausgang des Delta-Sigma-Modulators
befinden. Immer mit dem Ziel, eine höhere Genauigkeit des Kalibrierungsoffsets
(digitales Kalibrierungswort) zu erzielen, ist jedoch bevorzugt,
daß sich
dieser Kalibrierungsort am Ausgang des Kammreduzierfilters befindet.
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Es
ist außerdem
vorteilhaft, aber nicht unbedingt notwendig, daß während der Kalibrierungsphase
die Ausarbeitung des digitalen Kalibrierungsworts eine Tiefpaßfilterung
der an den Kalibierungsort geschickten digitalen Abtastwerte aufweist.
In der Tat erlaubt dies, eine Zurückweisung von bestimmten Frequenzen
auszuführen,
die aufgrund von Rauschen vorhanden sein könnten und die aus diesem Grund
den Kalibrierungsschritt stören
könnten.
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Die
Erfindung hat außerdem
eine Analog/Digital-Wandlervorrichtung
oder Analog/Digital-Wandlervorrichtung bzw. -anordnung mit automatischer Verstärkungsregelung
zum Ziel. Nach einem allgemeinen Merkmal der Erfindung weist diese
Vorrichtung einen Analog/Digital-Wandler des Typs Delta-Sigma, der
einen Delta-Sigma-Modulator und ein Ausgangsreduzierfilter aufweist,
und Einrichtungen zur automatischen Verstärkungsregelung auf, die in dem
Wandler zwischen dem Modulator und dem Ausgangsreduzierfilter angeordnet
sind.
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Nach
einer speziellen Ausführungsform
der Erfindung weist der Wandler außerdem ein Kammreduzierfilter
auf, das zwischen dem Modulator und dem Ausgangsreduzierfilter angeordnet
ist, und die Einrichtungen zur automatischen Verstärkungsregelung
sind dann vorteilhaft zwischen dem Kammfilter und dem Ausgangsreduzierfilter
angeordnet.
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Wenn
eine Kalibrierung vorgesehen ist, weist die Vorrichtung vorzugsweise
Kalibrierungseinrichtungen auf, mit:
- – einem
Multiplexer, der einen Eingang, der mit dem Ausgang des Kammreduzierfilters
verbunden ist, und einen ersten und einen zweiten Ausgang besitzt,
- – Subtraktionseinrichtungen,
die einen ersten Eingang, der mit dem ersten Ausgang des Multiplexers
verbunden ist, einen zweiten Eingang und einen Ausgang besitzen,
der an dem Eingang der Einrichtungen zur automatischen Verstärkungsregelung
angeschlossen ist,
- – einer
Speichereinrichtung (beispielsweise ein Register), die zwischen
dem zweiten Ausgang des Multiplexers und dem zweiten Eingang der Subtraktionseinrichtungen
angeordnet ist, und
- – Steuerungseinrichtungen,
welche während
einer Kalibrierungsphase den Eingang des Multiplexers mit seinem
zweiten Aus gang verbinden können,
um als Antwort auf ein am Eingang des Wandlers anliegendes analoges
Signal der Kalibrierungskonstanten ein digitales Kalibrierungswort
in der Speichereinrichtung zu speichern, und welche in einer normalen
Betriebsphase des Wandlers den Eingang des Multiplexers mit seinem
ersten Ausgang verbinden können.
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Die
Kalibrierungseinrichtungen weisen vorteilhaft ein Tiefpaßfilter
auf, das während
der Kalibrierungsphase in einer Schleife zur Speichereinrichtung zurück verbunden
ist.
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Dieses
Tiefpaßfilter
weist in einer Ausführungsform
mindestens eine Einrichtung zum Verschieben von Bits nach links
auf, die zwischen dem Ausgang der Speichereinrichtung und – über einen Addierer – dem Eingang
der Speichereinrichtung angeordnet ist, sowie eine zusätzliche
Einrichtung zum Verschieben von Bits nach links, die zwischen dem zweiten
Ausgang des Multiplexers und dem Addierer angeordnet ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung zeigen sich beim Studium der
detaillierten Beschreibung der Anwendungs- und Ausführungsform,
die keineswegs einschränkend
sind, und der beiliegenden Zeichnungen:
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Die
bereits beschriebenen 1, 2 und 3 zeigen
schematisch eine Analog/Digital-Wandlervorrichtung mit automatischer
Verstärkungsregelung
gemäß dem Stand
der Technik und ihre Funktionsweise in einem speziellen Fall,
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4 zeigt
schematisch die innere Architektur einer erfindungsgemäßen Analog/Digital-Wandlervorrichtung,
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5 zeigt
detaillierter, aber immer noch schematisch, die innere Architektur
des Delta-Sigma-Modulators des Wandlers von 4,
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6 zeigt
die Übertragungsfunktion
eines Kammreduzierfilters, das im Wandler von 4 vorhanden
ist,
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7 zeigt
detaillierter und immer noch schematisch die innere Architektur
einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zur automatischen Verstärkungsregelung,
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8 zeigt
eine Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Wandlers,
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9 zeigt
ebenfalls schematisch eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers,
der mit Kalibrierungseinrichtungen ausgestattet ist, und
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10 zeigt
schematisch detaillierter einen Teil der Kalibrierungseinrichtungen,
mit denen der Wandler von 9 ausgestattet
ist.
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In 4 bezeichnet
das Bezugszeichen DCAN eine erfindungsgemäße Analog/Digital-Wandlervorrichtung
mit automatischer Verstärkungsregelung.
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Die
Vorrichtung DCAN weist im wesentlichen einerseits einen Analog/Digital-Wandler
CAN des Delta-Sigma-Typs und anderseits eine Einrichtung zur automatischen
Verstärkungsregelung
AGC auf. Der Aufbau eines Analog/Digital-Wandlers des Delta-Sigma-Typs ist herkömmlich und
Fachleuten bekannt. Auf seine Hauptmerkmale wird sich nachstehend
berufen, Fachleute können
außerdem
für alle Fälle zurückgreifen
auf das Werk von Steven R. Northworthy, Richard Schreier, Gabor
C. Temes mit dem Titel "Delta-Sigma
Data Convertors Theory, Designs and Simulation" herausgegeben von IEEE Press (Piscataway,
USA).
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Der
Aufbau einer Einrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung ist ebenfalls
herkömmlich
und für
sich bekannt. Die Rolle des Analog/Digital-Wandlers des Delta-Sigma-Typs
ist, mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz Fs, wobei diese Frequenz
im weiteren Text Ausgangsabtastfrequenz genannt wird, ein analoges
Eingangssignal SA in ein digitales Ausgangssignal SN abzutasten.
Dieser Delta-Sigma-Wandler weist insbesondere am Kopf einen Modulator
des Typs Delta-Sigma, mit MDU bezeichnet, und am Ausgang ein oder
sogar mehrere (zum Beispiel 2) Ausgangsreduzierfilter, beispielsweise
Filter mit endlicher Impulsantwort, auf.
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Das
wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, nicht nur einen
Analog-Wandler des Delta-Sigma-Typs zu verwenden, um die Analog/Digital-Wandlung
auszuführen,
sondern auch in Kombination damit die Einrichtungen zur automatischen Verstärkungsregelung
AGC im Innern des Analog/Digital-Wandlers selbst, das heißt zwischen
dem Modulator des Delta-Sigma-Typs und dem Ausgangsreduzierfilter,
anzuordnen, und dies so, daß die
automatische Verstärkungsregelung
an einem digitalen Signal ausgeführt wird,
das überabgetastet
ist, das heißt, das
eine Zwischenabtastfrequenz hat, die höher ist als die Ausgangsabtastfrequenz
des digitalen Ausgangssignals.
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Im
einzelnen ist, wie in 4 gezeigt, der Eingang BE der
Vorrichtung DCAN gleich der Eingang des Delta-Sigma-Modulators MDU. In
dem beschriebenen Beispiel gibt der Modulator MDU am Ausgang ein über ein
Bit abgetastetes Signal aus, wobei die Abtastfrequenz gleich das
128fache der Ausgangsabtastfrequenz ist. Die aufeinanderfolgenden
1-Bit-Abtastwerte werden an ein Kammreduzierfilter herkömmlicher
Struktur CMF geschickt, das am Ausgang digitale Zwischenabtastwerte,
die aus 12 Bit bestehen, mit einer Zwischenabtastfrequenz ausgibt,
die gleich das 8fache der Ausgangsabtastfrequenz Fs ist. An den
Abtastwerten dieses überabgetasteten
Zwischensignals wird die automatisches Verstärkungsregelung ausgeführt.
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Die
Einrichtungen zur automatischen Verstärkungsregelung AGC liefern
somit ein Ausgangssignal, das ebenfalls mit der Frequenz 8Fs abgetastet
ist und aus 12-Bit-Abtastwerten besteht. Diese Abtastwerte werden
dann in einem ersten Reduzierfilter FIR1 verarbeitet, das am Ausgang
Abtastwerte von 16 Bit in der Abtastfrequenz 2Fs bereitstellt. Nach
Durchgang durch ein zweites Reduzierfilter mit endlicher Impulsantwort
FIR2 werden die Ausgangsabtastwerte (jeweils 16 Bit) nacheinander
mit der Abtastfrequenz Fs an den Ausgang BS der Vorrichtung DCAN
geschickt und bilden das digitale Ausgangssignal SN.
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Der
Modulator MDU (5) weist am Kopf einen Subtrahierer
auf, der mit dem Eingang BE verbunden ist. Diesem Subtrahierer folgt
ein Integrierer INT und eine Quantisierungseinrichtung QT, deren Ausgang
den Ausgang des Modulators bildet. Der Ausgang des Quantisierers
QT ist über
einen Digital/Analog-Wandler
DAC mit dem anderen Eingang des Subtrahierers in einer Schleife
zurück
verbunden. Die "Delta"-Modulation basiert
auf der Quantisierung der Signaländerung
Abtastwert für
Abtastwert, anstatt auf der Quantisierung des absoluten Wertes des
Signals bei jedem Abtastwert.
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Das
Vorhandensein des Integrierers INT (Sigma) im Modulator gibt dem
Modulator die Bezeichnung "Delta-Sigma"-Modulator.
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Das
Ausgangssignal des Delta-Sigma-Modulators hat eine sehr hohe Abtastfrequenz.
Dies ist eine fundamentale Eigenschaft der Delta-Sigma-Modulatoren,
da sie den hochfrequenten Anteil des Spektrums verwenden, um den
Hauptteil des Quantisierungsrauschens unterzubringen. Tatsächlich ist ein
Delta-Sigma-Modulator
dafür vorgesehen,
um das Quantisierungsrauschen im Basisband zu unterdrücken.
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Die
Erniedrigung der Ausgangsabtastfrequenz des Delta-Sigma-Modulators
wird dann in einem Reduzierfilter ausgeführt, dessen Funktion insbesondere
darin besteht, das außerhalb
des Basisbands gelegene Quantisierungsrauschen zu eliminieren, so
daß nur
ein kleiner Teil des Quantisierungsrauschen im Basisband übrig bleibt
(was auf die Erhöhung
der effektiven Auflösung
des Ausgangssignals hinausläuft),
dann eine Reduzierung, das heißt eine
Verringerung der Abtastfrequenz, auszuführen.
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Eine
Lösung
zur Ausführung
dieser Funktionen besteht darin, ein Reduzierfilter mit endlicher
Impulsantwort zu verwenden. Jedoch ist die ökonomischste und einfachste
Weise, um die Abtastfrequenz am Ausgang des Delta-Sigma-Modulators
zu verringern, ein Kammreduzierfilter zu verwenden, dessen Struktur
Fachleuten bekannt ist, wobei dieses Kammfilter einfach ein Filter
mit endlicher Impulsantwort ist, dessen Koeffizienten alle gleich
1 sind und das sich wie ein einfacher Akkumulator verhält, der
eine gleitende Mittelwertbildung durchführt. Die Übertragungsfunktion FTR eines
solchen Kammfilters, beispielsweise der Ordnung 1, ist schematisch in 6 gezeigt.
Die Verwendung eines Kammreduzierfilters bietet insbesondere den
Vorteil, weder einen Multiplizierer zu erfordern noch einen Speicher für die Koeffizienten
des Filters zu benötigen.
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Am
Ausgang des Kammfilters besteht das digitale Zwischensignal aus
12-Bit-Abtastwerten, die nacheinander mit der Zwischenabtastfrequenz
ausgegeben werden, die gleich 8 mal die Ausgangsabtastfrequenz Fs
ist.
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Die
Abtastwerte ECHE dieses Zwischensignals werden dann in die Einrichtung
zur automatischen Verstärkungsregelung
AGC (7) geschickt, die am Ausgang Abtastwerte ECHS
ebenfalls mit der Frequenz 8Fs ausgibt, wobei jeder Abtastwert ECHS gleich
dem Produkt aus dem entsprechenden Eingangsabtastwert ECHE und dem
von dem Auf-/Abwärts-Zähler CDC
gelieferten Verstärkungsfaktor
ist. Die Struktur und die Funktionsweise der Einrichtung AGC sind
identisch mit denjenigen, die mit Bezug auf 2 beschrieben
worden sind.
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Der
einzige Unterschied liegt hier in der Tatsache, daß die Einrichtung
AGC mit einem Zwischensignal arbeitet, das im Vergleich zu dem digitalen Ausgangssignal überabgetastet
ist.
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Es
ist in einigen Anwendungen, in welchen die Genauigkeit nicht kritisch
ist, möglich,
die automatische Verstärkungsregelung
direkt am Ausgang des Delta-Sigma-Modulators mit den 1-Bit-Abtastwerten
auszuführen.
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Jedoch
ist für
Anwendungen, in welchen die Genauigkeit wichtig ist, bevorzugt,
diese automatische Verstärkungsregelung
mit den Abtastwerten auszuführen,
die eine höhere
Auflösung
haben. Aus diesem Grund wird diese automatische Verstärkungsregelung
vorzugsweise am Ausgang des Kammfilters CMF ausgeführt.
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Der
Einrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung AGC folgt die übliche Ausgangsstufe eines
Delta-Sigma-Wandlers, die aus einem oder sogar mehreren Ausgangsreduzierfiltern
besteht, die herkömmlich
Tiefpaßfilter
mit endlicher Impulsantwort sind. Im beschriebenen Beispiel weist die
Ausgangsstufe des Wandlers von 4 ein erstes
Ausgangsreduzierfilter FIR1 auf, das die Abtastfrequenz auf 2Fs
reduziert, wobei die Auflösung
auf 16 Bit erhöht
wird. Das zweite Ausgangsreduzierfilter FIR2 reduziert noch einmal
die Abtastfrequenz, um die Ausgangsabtastfrequenz Fs zu erzeugen,
wobei die Ausgangsauflösung
von 16 Bit beibehalten wird.
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8 zeigt
die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Falle eines
Amplitudensprungs am analogen Eingangssignal SA.
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Die
Tatsache, mit einem überabgetasteten Signal
zu arbeiten, erlaubt, durch Regelung der Einschaltzeit des Auf-/Abwärts-Zählers innerhalb
jeder Überabtastperiode
Ts/8 schwache Änderungen
des Verstärkungsfaktor
zu erzielen und eine langsame und lineare Änderung des Verstärkungsfaktors
während
der gesamten Zeitdauer Tatt zu erzielen, so daß das digitale Signal SN sein
Anfangsniveau NI ohne Pumpeffekt und ohne hörbare Oszillation wiedergewinnt.
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Die
Erfindung erlaubt mit anderen Worten auf einfache Weise und ohne
zusätzliche
Kosten eine Analog/Digital-Wandlervorrichtung zu realisieren, die eine
Erregungsdauer Tatt tolerieren bzw. unterstützen kann, die gleich einem
Vielfachen der Erregungsdauer ist, die für eine Vorrichtung vom Stand
der Technik zulässig
ist, typisch 8fach höher
im speziellen Beispiel, das gerade beschrieben worden ist.
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Selbstverständlich muß in dem
Beispiel, das gerade beschrieben worden ist, die Zeitdauer Tatt nichtsdestoweniger
größer als
Ts/8 bleiben, um die unerwünschten
Oszillations- und Pumpeffekte zu vermeiden.
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In
bestimmten Anwendungen ist es notwendig, die erfindungsgemäße Analog/Digital-Wandlervorrichtung
zu kalibrieren. In diesem Fall weist diese Vorrichtung vorteilhaft
Kalibrierungseinrichtungen MCAL auf, wie sie schematisch in 9 und
in 10 gezeigt sind. In diesen Figuren haben die Elemente,
die den in 4 dargestellten entsprechen, die
gleichen Bezugszeichen wie die in 4. Es werden
nur die Unterschiede zwischen den 9 und 10 einerseits
und der 4 andererseits beschrieben.
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Die
Kalibrierung der Vorrichtung besteht konkret darin, den Delta-Sigma-Modulator
MDU dadurch zu kalibrieren, daß die
Verschiebung der Gleichspannung (DC-Offset) des analogen Teils des
Modulators MDU ermittelt wird.
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Diesbezüglich wird
während
der Kalibrierungsphase am Eingang der Vorrichtung DCAN ein Kalibrierungssignal
SCAL bereitgestellt, das typisch eine konstante analoge Spannung
ist (beispielsweise der Wert 0 oder der Wert Vcc/2, wenn Vcc die
Versorgungsspannung der Vorrichtung bezeichnet). Es wird dann ein
digitales Wort, genannt Kalibrierungswort, ermittelt, das der Analog/Digital-Wandlung
dieses Kalbrierungssignals SCAL entspricht. Dieses digitale Kalibrierungswort
wird dann im normalen Betrieb von dem digitalen Signal subtrahiert,
das aus der Wandlung eines zu wandelnden analogen Signals entstanden
ist.
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Das
Vorhandensein der Einrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung
AGC innerhalb des Delta-Sigma-Wandlers selbst erfordert eine passende
Wahl des Orts, genannt Kalbrierungsort, wo das digitale Kalibrierungswort
ermittelt wird. Und dann ist es gemäß der Erfindung notwendig,
daß sich
dieser Kalibrierungsort zwischen dem Ausgang des Delta-Sigma-Modulators
MDU und dem Eingang der Einrichtung zur automatischen Verstärkungsregelung befindet,
so daß das
digitale Kalibrierungswort unabhängig
vom Wert des Verstärkungsfaktors
ist, der im Verlaufe der Kalibrierungsphase von dem Auf-/Abwärts-Zähler der
Einrichtung AGC ausgegeben wird.
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Selbstverständlich ist
es theoretisch möglich, das
digitale Kalibrierungswort direkt am Ausgang des Delta-Sigma-Modulators
auszuarbeiten. Jedoch ist immer aus Gründen der Genauigkeit bevorzugt,
dieses digitale Kalibrierungswort unter Verwendung von Abtastwerten
erhöhter
Auflösung
auszuarbeiten. Aus diesem Grund sind die Kalibrierungseinrichtungen MCAL
vorzugsweise zwischen dem Kammfilter CMF und der Einrichtung zur
automatischen Verstärkungsregelung
AGC angeordnet.
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Wie
in 9 gezeigt, ist zur Ausführung der Kalibrierungen vorgesehen,
daß die
Vorrichtung DCAN am Kopf einen Multiplexer MXE aufweist, dessen
erster Eingang mit einem Kalibrierungseingang BEC verbunden ist,
der dazu bestimmt ist, das Kalibrierungssignal SCAL zu empfangen,
und dessen zweiter Eingang den Eingang BEN bildet, der dazu bestimmt
ist, in einer normalen Betriebsphase, das heißt nach der Kalibrierung die
zu wandelnden analogen Signale, zu empfangen. Dieser Multiplexer MXE
wird von einem Steuersignal SC, beispielsweise einem Logiksignal
mit zwei Zuständen,
gesteuert, das von Steuereinrichtungen MCD ausgegeben wird, die
eine herkömmliche
Struktur haben und hier aus Gründen
der Vereinfachung nicht detailliert dargestellt sind.
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Die
Kalibrierungseinrichtungen MCAL weisen außerdem einen Multiplexer MX1
auf, der einen Eingang EX1, der mit dem Ausgang des Kammreduzierfilters
CMF verbunden ist, einen ersten Ausgang SX1 und einen zweiten Ausgang
SX2 besitzt. Dieser Multiplexer wird von einem Steuersignal SC1
gesteuert.
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Die
Kalibrierungseinrichtungen weisen außerdem Subtraktionseinrichtungen
MST auf, die einen ersten Eingang ES1, der mit dem ersten Ausgang
SX1 des Multiplexers verbunden ist, einen zweiten Eingang ES2 und
einen Ausgang SS2 besitzen, der an dem Eingang der Einrichtungen
zur automatischen Verstärkungssteuerung
AGC angeschlossen ist.
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Die
Kalibrierungseinrichtungen weisen auch noch eine Speichereinrichtung
RG auf, beispielsweise ein Register (das beispielsweise typisch
aus 12 Flip-Flops besteht, die vorgesehen sind, um jeweils ein Bit
des von dem Filter CMF ausgegebenen Abtastwerts zu speichern). Diese
Speichereinrichtung ist zwischen dem zweiten Ausgang SX2 des Multiplexers
und dem zweiten Eingang ES2 der Subtraktionseinrichtungen MST angeordnet.
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Die
Steuerungseinrichtungen können schließlich während der
Kalibrierungsphase den Eingang EX1 des Multiplexers MX1 mit seinem
zweiten Ausgang SX2 verbinden, um das digitale Kalibrierungswort,
das dem am Eingang BEC des Wandlers anliegenden analogen Signal
der Kalibrierungskonstanten SCAL entspricht, in der Speichereinrichtung zu
speichern. Außerdem
verbinden die Steuereinrichtungen in der normalen Betriebsphase
des Wandlers, das heißt,
nach der Kalibrierung, den Eingang EX1 des Multiplexers MX1 mit
seinem ersten Ausgang SX1. Somit wird in einer normalen Betriebsphase
der Inhalt der Speichereinrichtung RG, der gleich dem Kalibrierungswort
ist, von den Abtastwerten subtrahiert, die von dem Kammfilter CMF
ausgegeben werden und die dem analogen Signal entsprechen, das gewandelt
werden soll und am Eingang BEN anliegt.
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Es
ist in gewissen Anwendungen besonders vorteilhaft, den Kalibrierungseinrichtungen
ein Tiefpaßfilter
hinzuzufügen,
um bestimmte Frequenzen zu eliminieren, die dem Rauschen zuzuschreiben sind
und die die Kalibrierung stören
könnten.
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In
diesem Fall ist vorteilhaft ein Tiefpaßfilter vorgesehen, das während der
Kalibrierungsphase in einer Schleife zur Speichereinrichtung zurück verbunden
ist.
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10 zeigt
eine Ausführungsform
eines solchen Tiefpaßfilters
LPF, dessen Kennzeichen insbesondere seine Einfachheit ist.
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So
ist in 10 ein Tiefpaßfilter
erster Ordnung sehr einfach realisiert, das eine Grenzfrequenz hat,
die gleich 0,021 mal die Zwischenabtastfrequenz (gleich 8Fs) ist.
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Die
numerische Gleichung eines solchen Filters ist durch die Formel
definiert: RG = 7/8RG + 1/8SX2wobei RG hier
zum Zwecke der Vereinfachung den Inhalt des Registers RG bezeichnet
und SX2 den Wert des Ausgangssignals des Kammfilters CMF bezeichnet.
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Dieses
Tiefpaßfilter
LPF weist dann drei Einrichtungen zum Verschieben von Bits nach
links DL1, DL2 und DL3 auf, die alle zwischen dem Ausgang des Registers
RG und – über einen
Addierer ADD – dem
Eingang des Registers RG angeordnet sind. Im einzelnen führt die
Einrichtung DL1 eine Verschiebung von 1 Bit nach links aus, während die
Einrichtung DL2 eine Verschiebung von 2 Bits nach links ausführt und
die Einrichtung DL3 eine Verschiebung von 3 Bits nach links ausführt.
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Diese
drei Einrichtungen DL1, DL2 und DL3 erlauben zusammen die Erzeugung
des Koeffizienten 7/8 (der gleich 1/2 + 1/4 + 1/8 ist).
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Außerdem weist
das Filter LPF eine zusätzliche
Einrichtung DLS zum Verschieben von Bits nach links auf, im vorliegenden
Fall eine Einrichtung zum Verschieben von 3 Bits nach links, die
zwischen dem Ausgang eines Multiplexers MX2 und dem anderen Eingang
des Addierers ADD angeordnet ist.
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Diese
Einrichtung DSL zum Verschieben nach links erlaubt die Erzeugung
des Multiplikationskoeffizienten 1/8.
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Der
Multiplexer MX2 besitzt einen ersten Eingang EX20, der mit dem Ausgang
SX2 des Multiplexers MX1 verbunden ist, sowie einen zweiten Eingang
EX21, der mit dem Ausgang des Registers RG verbunden ist.
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Während der
Kalibrierungsphase verbindet das Steuersignal SC2 (beispielsweise
ein Logiksignal mit zwei Zuständen)
den Eingang EX20 des Multiplexers MX2 mit seinem Ausgang SX20, um
das Ausgangssignal des Filters CMF in Rechnung zu nehmen. Man läßt das System
eine gewisse Zeit lang konvergieren, bis sich der Inhalt des Registers
RG fast nicht mehr ändert,
wobei dieser Inhalt dann gleich dem Kalibrierungswort ist.
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Im
normalen Betrieb, das heißt,
sobald einmal die Kalibrierung ausgeführt worden ist, steuert das
Signal SC2 den Multiplexer MX2 so, daß sein Eingang EX21 mit seinem
Ausgang SX20 verbunden wird. Der Inhalt des Registers RG bleibt
also konstant.