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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung zur
Analog-Digital-Wandlung, spezieller
einen Sigma-Delta-Modulator mit einem Digitalfilter.
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Es
gibt zahlreiche verschiedene Prinzipien und grundlegende Konfigurationen
zur Durchführung einer
Analog-Digital-Wandlung. Es gibt zum Beispiel Wandler mit sukzessiver
Approximation (SAR, engl. "successive
approximation converter"),
Wandler mit parallelen Komparatoren (engl. "flash converter"), Pipeline-Wandler und Sigma-Delta-Wandler (SD-Wandler).
Nahezu alle Arten von Wandlern verwenden einen Mechanismus, demzufolge
das analoge Eingangssignal mit einem oder mehreren Referenzwerten
verglichen wird. SD-Wandler
wenden einen eher groben Vergleich in Kombination mit der Formung
des Rauschspektrums und Überabtastung an.
SD-Wandler sind allgemein unanfällig
gegen Prozeßstreuung
(engl. "production
spread") und Bauelementfehlanpassungen
(engl. "component
mismatch"), so dass
sie typischerweise zur Erzielung äußerst hoher Auflösungen verwendet
werden. SD-Wandler
enthalten eine SD-Modulatorstufe, die mit einer äußerst hohen Taktfrequenz (Überabtastfrequenz)
arbeitet, die wesentlich höher
als die Signalbandbreite des Eingangssignals ist. Um das erwünschte digitale
Multibit-Ausgabewort
mit einer niedrigeren Taktfrequenz zu empfangen, ist eine digitale
Nachbearbeitung durch Digitalfilter erfoderlich. Die zur Nachbearbeitung
eines SD-Modulator-Ausgangssignals verwendeten Digitalfilter haben
eine spezifische Übertragungsfunktion
(z. B. Tiefpasseigenschaft), um aus dem digitalen Ausgangssignal unerwünschte Spektralanteile
zu entfernen, die ansonsten während
der Verringerung der Abtastfrequenz in das Signalband eingebracht
würden.
Sobald das (z. B. Hochfrequenz-)Rauschen in dem digitalen Ausgangssignal
unterdrückt
wird, kann die Abtastfrequenz verringert werden, und die Bitbreite
des digitalen Ausgabeworts wird erhöht. Da die Chipfläche bei
der Herstellung von integrierten Schaltungen ein wichtiger wirtschaftlicher
Faktor ist, wird häufig die
Wiederverwendung eines einzelnen Analog-Digital-Wandlers in Mehrkanalanwendungen
in Betracht gezogen, was durch die Mehrfachnutzung eines einzelnen
Analog-Digital-Wandlers zwischen mehreren Kanälen realisiert werden könnte.
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Das
gleichzeitige Senden verschiedener Eingangssignale an einen einzelnen
Analog-Digital-Wandler ist nur dann möglich, wenn die Zeit, die ein
Wandler zum Einschwingen auf ein neues Eingangssignal und zur Erzeugung
eines entsprechenden digitalen Ausgangswerts benötigt, annehmbar ist. Im Vergleich
zu anderen Konfigurationen wie SAR- oder Pipeline-Wandler oder Wandler
mit parallelen Komparatoren, benötigen
SD-Wandler, d. h. insbesondere die digitalen Ausgangsfilter zur
Nachbearbeitung der digitalen Ausgangssignale des Modulators, häufig zu
viel Zeit zum Einschwingen. Der Grund hierfür liegt in den (normalerweise)
großen Zeitkonstanten
dieser Filter, die zur Bereitstellung einer ausreichenden Rauschunterdrückung notwendig sind.
Folglich benötigt
das Umschalten des Eingangs eines SD-Wandlers zwischen zwei analogen
Eingangssignalen viel Zeit für
den Einschwingvorgang, bevor das Ausgangssignal wieder gültig ist,
was hauptsächlich
in den großen
Zeitkonstanten der Digitalfilter begründet liegt. Dies könnte verhindert
werden, indem die Abtastfrequenz des SD-Modulators und des Digitalfilters
weiter erhöht
wird, was in Bezug auf den Stromverbrauch äußerst unwirtschaftlich ist. Deshalb
stellen herkömmliche
Multikanalanwendungen, die SD-Wandler einsetzen, einen vollständigen Sigma-Delta-Modulator
und ein entsprechendes Digitalfilter für jeden Kanal bereit.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Vorrichtung
mit einem Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler bereitzustellen, der
zwischen mehreren Eingangssignalen mit lediglich geringer Verzögerung umgeschaltet
werden kann.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung
zur Analog-Digital-Wandlung bereitgestellt, das einen Sigma-Delta-Modulator, ein erstes
Digitalfilter zur digitalen Nachbearbeitung des Ausgangssignals
des Sigma-Delta-Modulators und ein zweites Digitalfilter zur digitalen
Nachbearbeitung des Ausgangssignals des Sigma-Delta-Modulators umfasst.
Des Weiteren gibt es einen Multiplexer zum Umschalten des Eingangs des
Sigma-Delta-Modulators zwischen einem ersten Eingangssignal und
einem zweiten Eingangssignal und ein Steuermittel, das so eingerichtet
ist, dass es entweder das erste oder das zweite Digitalfilter zur Nachbearbeitung
des Ausgangssignals des Sigma-Delta-Modulators aktiviert, wenn das
Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators zwischen dem ersten Eingangssignal
und dem zweiten Eingangssignal umgeschaltet wird. Dementsprechend
ist der Sigma-Delta-Wandler so eingerichtet, dass er über das umgeschaltete
Eingangssignal dahingehend informiert ist, dass der Ausgang des
Modulators ebenfalls von einem Digitalfilter auf ein anderes umgeschaltet wird.
Es ist nicht notwendig, zwei vollständige Sigma-Delta-Wandler bereitzustellen,
sondern lediglich einen Modulator und zwei Digitalfilter. Nachdem
der Sigma-Delta-Modulator
von einem Eingangssignal auf ein anderes umgeschaltet wurde, werden
einige Abtastwerte des Sigma-Delta-Modulators vorzugsweise gelöscht. Dieser
Aspekt der Erfindung berücksichtigt
die Einschwingzeit des Modulators. Da der Modulator eine wesentlich
höhere
Taktfrequenz als das Digitalfilter und eine wesentlich kürzere Einschwingzeit
aufweist, wird lediglich eine kleine Anzahl von Abtastwerten (d.
h. Taktzyklen) benötigt,
bis sich der Modulator eingeschwungen hat. Danach können die
Ausgangsabtastwerte des Sigma-Delta-Modulators
dem entsprechenden Digitalfilter zugeführt werden, z. B. für das erste
Eingangssignal dem ersten Digitalfilter und für das zweite Eingangssignal dem
zweiten Digitalfilter.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine elektronische Vorrichtung
zur Analog-Digital-Wandlung bereit, das einen Sigma-Delta-Modulator,
ein erstes Digitalfilter zur digitalen Nachbearbeitung des Ausgangssignals
des Sigma-Delta-Modulators
und einen Multiplexer zum Umschalten des Eingangs des Sigma-Delta-Modulators
zwischen einem ersten Eingangssignal und einem zweiten Eingangssignal
umfasst. Des Weiteren gibt es ein Speichermittel, das so eingerichtet
ist, dass es alle beliebigen Registerinhalte und Koeffizientenwerte
des Digitalfilters speichert, die sich auf das erste Eingangssignal
beziehen, während
das zweite Eingangssignal in einem Digitalfilter bearbeitet wird.
Es wird ein Steuermittel bereitgestellt, um die Registerinhalte
aus dem Speichermittel abzurufen, wenn die Bearbeitung des ersten
Eingangssignals in dem Digitalfilter wieder aufgenommen wird. Dementsprechend
kann man mit einer verringerten Einschwingzeit des Digitalfilters
zwischen zwei Eingangssignalen umschalten. Die Registerinhalte des
Digitalfilters entsprechen dem internen Zustand eines bestimmten
Eingangssignals. Die Speicherung des internen Zustands des ersten Eingangssignals
beim Umschalten der Bearbeitung auf ein zweites Eingangssignal gestattet
es, dass die Registerinhalte als Anfangsbedingung zur Bearbeitung des
ersten Eingangssignals verwendet werden, wenn die Analog-Digital-Wandlung
des ersten Eingangssignals wieder aufgenommen wird. Des Weiteren
können
die Filtereigenschaften (d. h. z. B. die Übertragungsfunktion) eingestellt
werden, während ein
anderes Eingangssignal bearbeitet wird, wenn auch die Koeffizienten
oder andere Filterparameter gespeichert werden.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Digitalfilter erst nach
einer bestimmten Zeitspanne, die einer Einschwingzeit des Sigma-Delta-Modulators entspricht,
aktiviert. Da auch der Sigma-Delta-Wandler zur Bearbeitung mehrerer verschiedener
Eingangssignale verwendet wird, müssen sich die internen Bauelemente
des Sigma-Delta-Modulators ebenfalls auf die neuen Bedingungen einstellen.
Dies dauert eine bestimmte Zeit, die jedoch wesentlich kürzer ist
als die Verzögerung der
Digitalfilter. Die Abtastfrequenz des Modulators ist typischerweise
um mehrere Faktoren höher
als die Signalbandbreite des Eingangssignals, was als Überabtastverhältnis des
Modulators bekannt ist. Dementsprechend ist der Einschwingvorgang
des Modulators im Vergleich zu der zum Einschwingen des Digitalfilters
benötigten
Zeit äußerst kurz,
selbst wenn er mehrere Taktperioden benötigt. Vorteilhafterweise wird
nach dem Umschalten eine eher kleine vorbestimmte Anzahl von Abtastwerten
des Sigma-Delta-Modulators, zum Beispiel zwischen drei und zehn
Abtastwerte, gelöscht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung empfängt der Sigma-Delta-Modulator
einen Rücksetzimpuls,
wenn das Eingangssignal umgeschaltet wird. Das Rücksetzen der Modulatoren, die
aus der Entladung der internen Kondensatoren einer Konfiguration
des Sigma-Delta-Modulators mit geschalteten Kondensatoren bestehen
kann, kann die Verzögerung
weiter verringern. Des Weiteren versetzt der Rücksetzimpuls die Modulatoren
in einen eindeutig definierten Ausgangszustand, was den Einschwingvorgang
ebenfalls beschleunigen kann.
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Der
Sigma-Delta-Modulator kann erster, zweiter oder höherer Ordnung
sein. Die Verwendung eines Modulators niedriger Ordnung ist jedoch
vorzuziehen, um die Verzögerungen
gering zu halten. Das Digitalfilter kann ein Dezimierungsfilter
wie ein Kammfilter oder ein Sincfilter sein.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Analog-Digital-Wandlung
bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst. Ein analoges
Eingangssignal wird durch einen Sigma-Delta-Modulator bearbeitet
(d. h. moduliert oder umgewandelt), und der Eingang des Sigma-Delta-Modulators
wird von einem ersten Eingangssignal auf ein zweites Eingangssignal
umgeschaltet. Des Weiteren wird die Bearbeitung des Ausgangssignals des
Sigma-Delta-Modulators mit einer ersten Digitalfilterfunktion beendet,
wenn der Eingang des Sigma-Delta-Modulators umgeschaltet wird, und
das Ausgangssignal wird nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach
dem Umschalten des Eingangssignals mit einer zweiten Digitalfilterfunktion
bearbeitet. Die vorbestimmte Zeitspanne kann eine bestimmte Anzahl
von Abtastwerten umfassen. Die erste und die zweite Filterfunktion
können
durch zwei verschiedene Digitalfilter bereitgestellt werden, aber
sie können ebenfalls
durch ein einzelnes Digitalfilter bereitgestellt werden. Vorzugsweise
werden die Koeffizienten oder die internen Registerinhalte des Filters
als Reaktion auf das Umschalten des Eingangssignals ersetzt, wenn
ein Einzelfilter (d. h. z. B. eine festverdrahtete Filterstufe o. ä.) verwendet
wird. Die internen Registerwerte bzw. die Koeffizienten jeder Filterfunktion
können
in einem Speicher gespeichert sein. Dementsprechend wird der Sigma-Delta-Wandler über das
Umschalten des Eingangssignals informiert, und das gesamte Wandlungsverfahren
kann weniger komplex als mit herkömmlichen Lösungen durchgeführt werden.
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Allgemein
ist die Anzahl von Eingangssignalen, zwischen denen der Modulator
umzuschalten ist, gemäß der vorliegenden
Erfindung unbegrenzt, so lange die benötigten Resourcen wie ein Speichermittel
zur Speicherung von Filterregisterinhalten bzw. die Anzahl von parallelen
Digitalfiltern bereitgestellt werden.
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Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
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1 ein
vereinfachtes Schaubild eines Analog-Digital-Wandlungssystems mit
gebündelten Eingangssignalen,
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2 zwei
Kanäle
zur Analog-Digital-Wandlung zweier Eingangssignale gemäß dem Stand
der Technik,
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3 ein
vereinfachtes Schaubild einer ersten bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und
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4 ein
vereinfachtes Schaubild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Schaubild einer Anordnung zur Analog-Digital-Wandlung mehrerer
Eingangssignale IN1, IN2, IN3, IN4. Die Eingangssignale IN1–IN4 werden
durch einen Multiplexer MUX geleitet, der durch ein Steuersignal
CNTL gesteuert wird. Entsprechend wird eines der Eingangssignale
IN1–IN4
ausgewählt
und an den Eingang INADC des Analog-Digital-Wandlers ADC geleitet.
Der Analog-Digital-Wandler wandelt das analoge Eingangssignal INADC
um und stellt ein digitales Ausgangssignal bereit. Ja nach spezifischer
Ausführung
des Analog-Digital-Wandlers ADC tritt nach dem Umschalten von einem
Eingangssignal auf das nächste
eine Verzögerung
auf. Diese ergibt sich auf Grund von allen möglichen internen Einschwingverfahren,
die von der spezifischen Ausführung
des Analog-Digital-Wandlers abhängen.
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2 zeigt
ein vereinfachtes Schaubild einer herkömmlichen Ausführung unter
Verwendung von Sigma-Delta-Wandlern zur Umwandlung mehrerer Eingangssignale
IN1 und IN2. Das erste Eingangssignal IN1 wird einem Sigma-Delta-Modulator SD1
zugeführt.
Ein erstes digitales Ausgangsfilter ist mit dem Ausgang des Sigma-Delta-Modulators
SD1 gekoppelt. Das Digitalfilter FIL1 entfernt die Hochfrequenzinhalte
des digitalen Ausgangssignals des Sigma-Delta-Modulators und verringert typischerweise die
Abtastfrequenz. Das Digitalfilter kann bei Bedarf ebenso andere
Funktionen ausführen.
Das Ausgangssignal OUT1 ist die digitale Entsprechung des Eingangssignals
IN1. Dieselbe Situation tritt für
den zweiten Kanal, der den Sigma-Delta-Modulator SD2 und das Digitalfilter
FIL2 umfasst, ein. Das Eingangssignal IN2 wird in das digitale Ausgangssignal
OUT2 umgewandelt. Auf Grund der großen Zeitkonstanten, die für das Umschalten
zwischen verschiedenen Eingangssignalen benötigt werden, werden zwei vollständige Kanäle bereitgestellt.
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3 zeigt
ein vereinfachtes Schaubild einer ersten bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Dementsprechend werden die Eingangssignale IN1 und IN2
durch einen Multiplexer MUX geleitet. Der Multiplexer wählt eines
der beiden Eingangssignale IN1, IN2 aus, die durch den Sigma-Delta-Modulator
SDMOD zu einem analogen Eingangssignal INSD umgewandelt werden.
Der Multiplexer wird durch ein Steuersignal CNT4 gesteuert, das
durch die Steuerstufe CNTL bereitgestellt wird. Der Sigma-Delta-Modulator erzeugt
ein extrem überabgetastetes
digitales Ausgangssignal OUTMOD, das ein Einbit- oder Mehrbitsignal
mit einer Bitbreite n sein kann. Das Ausgangssignal OUTSD des Sigma-Delta-Modulators
SD wird in einem der beiden Digitalfilter FIL1 bzw. FIL2 gefiltert. Die
Filter FIL1 und FIL2 dienen der Entfernung unerwünschter Spektralanteile aus
dem Signal OUTMOD. Die Digitalfilter FIL1 und FIL2 werden durch
die Steuerstufe CNTL über
das Steuersignal CNT3 gesteuert. Wenn das Eingangssignal INSD von
einem der Eingangssignale IN1, IN2 auf ein anderes umgeschaltet
werden, werden die Filter FIL1 und FIL2 ebenfalls umgeschaltet,
so dass das Ausgangssignal OUTMOD durch ein entsprechendes Filter
FIL1 bzw. FIL2 entsprechend dem Eingangssignal IN1 bzw. IN2 bearbeitet
wird. Die Eingangssignale IN1 und IN2 sowie die Filter FIL1 und
FIL2 können
systematisch und periodisch umgeschaltet werden. Wenn der Eingang des
Sigma-Delta-Modulators SDMOD von einem Eingangssignal auf ein anderes
umgeschaltet wird, benötigt
der Sigma-Delta-Modulator
SDMOD eine bestimmte Zeit, um sich auf das neue Eingangssignal einzuschwingen.
Deshalb werden eine bestimmte Anzahl von Abtastwerten des SDMOD
und entsprechende Ausgangswerte OUTMOD gelöscht. Eine kleine Anzahl von
Abtastwerten von circa 3 bis 5 Abtastwerten kann ausreichen. Der
Sigma-Delta-Modulator kann ebenfalls zurückgesetzt werden, wenn der Eingang
INSD zwischen zwei Eingangssignalen umgeschaltet wird. Ebenso kann
das entsprechende Digitalfilter FIL1 bzw. FIL2 auch erst nach einer
Einschwingzeit des Sigma-Delta-Modulators aktiviert werden. Die
spezifischen Einschwingzeiten hängen von
der Konfiguration und der Ordnung sowie von der Überabtastfrequenz und den Eingangssignalen
des Gesamtsystems ab. Die Ausgangssignale OUTFIL1 und OUTFIL2 haben
eine Bitbreite k1 bzw. k2 und sind die digitale Entsprechung der
entsprechenden analogen Eingangssignale, die bearbeitet wurden.
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4 zeigt
ein vereinfachtes Schaubild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Dementsprechend werden die Eingangssignale IN1–IN5 durch
einen Multiplexer MUX geleitet. Der Multiplexer wählt eines
aus den fünf
Eingangssignalen IN1–IN5,
das durch den Sigma-Delta-Modulator SDMOD umgewandelt werden soll,
als analoges Eingangssignal INSD aus. Der Multiplexer wird durch
ein Steuersignal CNT4 gesteuert, das durch die Steuerstufe CNTL
bereitgestellt wird. Der Sigma-Delta-Modulator erzeugt ein extrem überabgetastetes
digitales Ausgangssignal OUTMOD, das ein Einbit- oder Mehrbitsignal
mit einer Bitbreite n sein kann. Das Ausgangssignal OUTMOD des Sigma-Delta-Modulators
SDMOD wird in dem Digitalfilter FIL gefiltert, um unerwünschte Spektralanteile
des Signals OUTMOD zu entfernen. Das Digitalfilter FIL wird durch
die Steuerstufe CNTL über das
Steuersignal CNT2 gesteuert. Des Weiteren gibt es ein Speichermittel
MEM für
den Empfang von internen Daten von dem Filter FIL. Die zu speichernden internen
Daten enthalten jeglichen internen Zustand des Filters, Filterkoeffizienten
und andere Parameter zur Konfiguration des Digitalfilters FIL. Die
Steuereinheit verwendet die Steuersignale CNT2 und CNT3 zur Speicherung
der internen Registerinhalte (alle relevanten Filterdaten) des Digitalfilters
FIL in dem Speichermittel MEM, wenn das Eingangssignal INSD von
einem der Eingangssignale IN1–IN5
auf ein anderes umgeschaltet wird. Wenn das Eingangssignal, dem
die Speicherinhalte entsprechen, später während des Umwandlungsverfahrens
wieder verwendet wird, werden die Registerinhalte aus dem Speichermittel
MEM in das Digitalfilter FIL abgerufen. Wie in 4 gezeigt,
ist die vorliegende Erfindung nicht nur zum Umschalten zwischen
zwei Eingangssignalen verwendbar, sondern sie kann vorzugsweise
zum systematischen und periodischen Umschalten zwischen mehreren
Eingangssignalen IN1–IN5
verwendet werden. Die Registerinhalte des Digitalfilters FIL, die
denjenigen Eingangssignalen entsprechen, die aktuell nicht bearbeitet
werden, werden in der Speichervorrichtung MEM gespeichert und abgerufen, wenn
die Bearbeitung des bestimmten Eingangssignal wiederaufgenommen
wird. Der Sigma-Delta-Modulator SDMOD wird immer dann zurückgesetzt, wenn
der Eingang INSD zwischen zwei Eingangssignalen umgeschaltet wird.
Das Digitalfilter FIL wird erst nach einer Einschwingzeit des Sigma-Delta-Modulators
aktiviert. Die spezifischen Einschwingzeiten hängen von der Konfiguration
und der Ordnung sowie von der Überabtastfrequenz
und den Eingangssignalen des Gesamtsystems ab. Das Ausgangssignal OUTFIL
mit einer Bandbreite k ist die digitale Entsprechung der abgetasteten
Eingangssignale.