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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren
von Bitgewichten in Multibit Delta-Sigma-Wandlern.
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Als
Analog-Digital-Umsetzer bzw. -Wandler werden häufig sogenannte Delta-Sigma-Wandler
verwendet, weil diese hohe Quantisierungen und einen großen Signal-Rauschabstand
bieten. Delta-Sigma-Wandler werden oft auch als Sigma-Delta-Wandler
bezeichnet.
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Die
Arbeitsweise eines einfachen Delta-Sigma-Wandlers mit einer Auflösung von
einem Bit ist zum Beispiel in dem Artikel F. Contadini: „Delta-Sigma
AD-Wandler" in elektronik
Industrie, 05-2002, Seiten 20-23 dargestellt. Wie in der 1 gezeigt, besteht ein solcher
Einbit Delta-Sigma-Wandler im Wesentlichen aus zwei Blöcken: einem
analogen Modulator und einem digitalen Filter. Dabei ist der Modulator
prinzipiell nur ein Komparator K, dem ein Integrierer I vorgeschaltet
ist. Gleichzeitig wird von dem Eingangssignal ES das von einem Einbit
Digital-Analog-Wandler DAW rückgewandelte
Ausgangssignal AS mit einem Differenzverstärker DV wieder abgezogen. So
wird der Komparator K ständig
zurückgesetzt.
Es entsteht ein Einbit-Datenstrom: wenn die Amplitude des analogen
Eingangssignals ES ansteigt, überwiegt
am Ausgang des Komparators K „1", fällt sie, überwiegt „0", und bei konstantem
Eingangsignal ES fluktuiert das Ausgangssignal zwischen den „0" und „1" zugeordneten Spannungspegeln.
Das analoge Signal kann prinzipiell durch Integration wieder aus dem
Bit-Strom gewonnen
werden.
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Bei
kleinen analogen Eingangspegeln ist jedoch das Quantisierungsrauschen
relativ groß,
weil das digitale Ausgangssignal vollständig zwischen den „0" und „1" zugeordneten Spannungen
schwankt. Um die Auflösung
zu erhöhen
und somit ein digitales Ausgangssignal zu liefern, das auch Spannungspegel
zwischen den „0" und „1" zugeordneten Pegeln
darstellt, wird eine Multibit Delta-Sigma-Modulation eingesetzt.
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Ein
allgemein bekannter Multibit Delta-Sigma-Wandler DSW ist in der 2 gezeigt. Das analoge Eingangssignal
ES wird von einem Integrierer I integriert und von einem Quantisierer
Q bestimmter Auflösung quantisiert
und beispielsweise in einem Thermometerkode als Ausgangssignal AS
ausgegeben. Dem Integrierer I ist ein Differenzverstärker DV
vorgeschaltet, der das Eingangssignal ES und das von einem Digital/Analog-Wandler DAW rückgewandelte
Ausgangssignal AS rückgekoppelt
erhält.
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Multibit
Digital-Analog-Wandler DAW, wie sie in Multibit Delta-Sigma-Wandlern
DSW eingesetzt werden, weisen jedoch meist nichtvernachlässigbare
Nichtlinearitäten
auf. Die 3 zeigt eine
beispielhafte Anordnung von parallel geschalteten Stromquellen I1,
...I7, die über
Schalter S1, ...S7 an eine Sammelschiene X geschaltet werden. Die
Schalter können
beispielsweise durch die Bits eines Thermometerkodes gesteuert sein.
Eine analoge Ausgangsspannung kann dann über Anschlüsse A1, A2 an einem Widerstand
R, der zwischen der Sammelschiene X und Masse GND geschaltet ist,
abgegriffen werden. Die Nichtlinearitäten treten auf, weil die in
einem Digital-Analog-Wandler DAW eingesetzten Stromquellen I1, ...I7,
die die einzelnen Bitgewichte bestimmen, in der Regel Schwankungen
aufweisen. Dadurch können
die Bitgewichte des Digital-Analog-Wandlers, insbesondere wenn das
Digitalsignal in Thermometer-Kode vorliegt, für verschiedenwertige Bits vom
Idealwert „1" abweichende Werte
aufweisen.
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Die
US 3,982,172 beschreibt
eine Anordnung von mehreren, Schwankungen unterliegenden Stromquellen
zum Erzeugen von präzisen
Stromwerten. Dabei ist vorgesehen, dass die einzelnen Stromquellen
permutiert werden und somit ein mittlerer Strom, präziser Stromstärke erzeugt
wird. Ein entsprechendes Verfahren wir allgemein als dynamischer
Elementeabgleich (DEM = Dynamic Element Matching) bezeichnet.
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Das
Nichtlinearitätsproblem
von Digital-Analog-Wandlern in Mulitibit Delta-Sigma-Wandlern wird
häufig
durch eine Einrichtung zum dynamischen Elementeabgleich (DEM) vermindert.
Beim Einsatz von dynamischem Elementeabgleich werden die den verschiedenen
Bits zugeordneten Stromquellen rasch permutiert und so die Fehlanpassung
der Stromquellen in statistisches Rauschen im digitalen Ausgangsignal
des Delta-Sigma-Wandlers überführt. Damit
ist zwar eine harmonische Verzerrung durch die Nichtlinearität unterdrückt, jedoch
muss erhöhtes
Rauschen in Kauf genommen werden.
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Ein
Verfahre zum Kalibrieren von Ausgangssignalen eines Multibit-Analog-Digital-Wandlers,
der einen Nichtlinearitäten
aufweisenden Digital-Analog-Wandler beinhaltet, ist in der
US 6,583,741 B1 beschrieben. Dazu
werden nach einem bestimmten Muster die Stromquellen des Digital-Analog-Wandlers
angesteuert und aus dem resultierenden Ausgangssignal Nichtlinearitäten bestimmt.
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Aus
dem Artikel WANG X. et. al.: Digital estimation and correction of
DAC errors in multibit ΔΣ ADCs. In:
Electronics Letters, 29th March 2001, Vol.
37, No. 7, Seiten 414 bis 415, ist eine Vorrrichtung zur digitalen Korrektur
eines Ausgangssignals eines Multibit Delta-Sigma Wandlers bekannt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung
zum Kalibrieren eines digitalen Ausgangssignals eines in Multibit
Delta-Sigma-Wandlern zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Kalibriervorrichtung mit den im Patentanspruch
1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin,
dass die Bitgewichte in einem digitalen Ausgangssignal eines Multibit
Delta-Sigma-Wandlers auf die tatsächlichen Bitgewichte des in
dem Delta-Sigma-Wandler eingesetzten Digital/Analog-Wandlers abgeglichen
bzw, kalibriert werden. Dadurch wird das – von dynamischem Elementeabgleich
(DEM) erzeugte – Rauschen
erheblich reduziert.
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Die
erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung
schafft insbesondere eine verbesserte Ausgangssignalqualität eines
Delta-Sigma-Wandlers.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, das kein Eingriff in den Multibit
Delta-Sigma-Wandler selbst vorgenommen wird.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Bitgewichte
in dem Delta-Sigma-Wandler mittels einer Einrichtung zum dynamischen
Elementeabgleich permutiert, so dass am Ausgang des Delta-Sigma-Wandlers
statistische Bitgewichte vorliegen. Dadurch wird eine unerwünschte harmonische Verzerrung
durch fehlangepasste Elemente im Digital/Analog-Wandler in ein Rauschen im Ausgangssignal überführt, welches
durch digitales Filtern vermindert werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum
Kalibrieren der Bitgewichte wird dieses Rauschen stark reduziert.
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Gemäß der Erfindung
werden die Bitgewichte, die zu minimalem Rauschen im Ausgangssignal
führen, durch
Minimieren der Korrelation zwischen dem digitalen Ausgangssignal
des Multibit Delta-Sigma-Wandlers und dem kalibrierten Ausgangssignal
bestimmt.
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Die
Erfindung schafft demnach eine Kalibrierungsvorrichtung zum Kalibrieren
von digitalen Ausgangssignalen von Multibit Delta-Sigma-Wandlern
die
enthält:
- (a) einen Speicher zum Speichern von vorgegebenen – insbesondere
den tatsächlichen – Bitgewichten
des Mulitibit Delta-Sigma-Wandlers;
- (b) eine erste Steuereinrichtung mit einem Eingang zum Anlegen
des von dem Multibit Delta-Sigma-Wandler ausgangsseitig bereitgestellten
digitalen Ausgangssignals bestimmter Bitbreite, und mit einem Ausgang zur
Ausgabe eines nach Maßgabe
der vorgegebenen Bitgewichte kalibrierten digitalen Ausgangssignals.
- (c) eine zweite Steuereinrichtung, die mit zumindest einer Leitung
zum Schreiben von Bitgewichten mit dem Speicher gekoppelt ist, die
einen ersten Eingang aufweist, der über zumindest eine Datenleitung
mit dem Ausgang des Multibit Delta-Sigma-Wandlers gekoppelt ist.
Die Kalibriervorrichtung hat außerdem
einen zweiten Eingang, der über
zumindest eine weitere Datenleitung mit dem Ausgang der ersten Steuereinheit gekoppelt
ist. Die zweite Steuereinheit ändert
die Bitgewichte im Speicher derart, dass die Korrelation zwischen
dem Ausgangssignal des Multibit Sigma-Delta-Wandlers und dem kalibrierten
bzw. korrigierten Ausgangssignal minimal ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung
wird die Ausgangssignalqualität
verbessert. Insbesondere ist der Signal-Rauschabstand gegenüber bekannten
Verfahren bzw. Einrichtungen stark verbessert. Vorteilhaft ist auch,
dass die Kalibriervorrichtung keinen Eingriff in den Multibit Delta-Sigma-Wandler
erfordert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der folgenden
Beschreibung näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines bekannten Einbit Delta-Sigma-Wandlers;
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2 ein
Blockschaltbild eines bekannten Multibit Delta-Sigma-Wandlers;
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3 eine
Anordnung von Stromquellen zur Gewichtung der Bitwerte eines Digital-Analog-Wandler;
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4 ein
Schema des erfindungsgemäßen Kalibrierens;
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5 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kalibriereinrichtung.
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In
allen Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente
mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 4 zeigt
eine Einrichtung zum Kalibrieren eines in Thermometerkode vorliegenden
digitalen Signals 20, 21, 22. Die Einrichtung
kann hardware- oder softwaremäßig ausgeführt sein.
Die digitalen Eingangssignale des Thermometerkodes 20, 21, 22 werden
parallel mit den Multiplizierern 26, 27, 28 mit
den vorgegebenen oder gemessenen tatsächlichen Werten der Bitgewichte 23, 24, 25 multipliziert.
Die Bitgewichte 23, 24, 25 können zum
Beispiel in Speichern abgelegt sein und über Signalleitungen 38, 39, 40 den
Multiplizierern zugeführt
werden. Die kalibrierten, multiplizierten Signale 29, 30, 31 werden
kaskadenförmig
mittels Addierer 34, 35, 36 summiert
und als korrigiertes bzw. kalibriertes Ausgangssignal 37 bereitgestellt.
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Falls
zum Beispiel die Bitbreite eines digitalen Signals drei beträgt, können acht
Zustände
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 in Thermometerkode beschrieben werden, so
dass auf acht Thermometerkodeleitungen jeweils eine „0" oder eine „1" vorliegt. Der zu
beschreibende Zustand ergibt sich aus der Addition der auf den acht
Leitungen vorliegenden Werte. Zum Beispiel kann der Zustand 3 durch
drei „1" auf den drei höchstwertigen
Leitungen realisiert werden. Die Tabelle 1 zeigt mögliche Kodierungen
für die
Zustände
2, 1, 3, 1, 3, 1:
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Da
jedoch die Quantisierungselemente des Digital-Analog-Wandlers fehlerhafte
Bitgewichte aufweisen können – zum Beispiel
das niedrigstwertige Bit nur 95%, das zweitniedrigste 103 und das
drittniedrigste 102% der dem Wert „1" zugeordneten Spannungspegel aufweisen,
werden die Zustände – wie in
der Tabelle 2 gezeigt – fehlerhaft
dargestellt.
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Da
jedoch in dem Delta-Sigma-Gdandler durch einen Digital-Analog-Wandler mit
diesen fehlerhaften Gewichtungen ein Analogsignal zur Rückkopplung
erzeugt wird, führen
die fehlerhaften Bitgewichte zu harmonischer Verzerrung. Deshalb
wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Beispiel das in Thermometerkode vorliegende digitale Ausgangssignal
derart digital korrigiert, dass die tatsächlichen Bitgewichte des Digital-Analog-Wandlers
verwandt werden. Dies ist in 4 gezeigt,
wo beispielsweise die niedrigstwertigen Bits 20, 21, 22 des
Thermometerkodes – wie
er in den obigen Tabellen dargestellt ist – über die Multiplizieren 26, 27, 28 mit
den entsprechenden tatsächlichen
Bitgewichten 23, 24, 25 gewichtet und über die
Addierer 34, 35, 36 zu einem korrigierten
bzw. kalibrierten Signal 37 aufaddiert werden. Dieses skalierte
bzw. kalibrierte Signal 37 kann nun digital eine höhere Bitbreite
aufweisen, weil die Zustände
in einer höheren
Genauigkeit, nämlich in
diesem Beispiel bis auf die zweite Dezimalkommastelle beschrieben
werden. Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich, erzeugen die fehlerhaften
Bitgewichte in dem Thermometerkode eine Nichtlinearität des Signals,
was wiederum harmonische Verzerrungen im Ausgangssignal des Delta-Sigma-Wandlers
hervorruft. Diese harmonische Verzerrung kann durch das Verfahren
des dynamischen Elementeabgleichs (DEM) in Rauschen überführt werden.
Eine DEM-Einheit permutiert die Bitgewichte zu 0, 1, 2, 3, 4, 5,
7 nach einem vorbestimmten Muster, so dass die Zustände durch
statistische oder gemittelte Bitgewichte erzeugt werden.
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Die 5 zeigt
eine Kalibriereinrichtung 1, die an den digitalen Ausgang 2 eines
Multibit Delta-Sigma-Wandlers 3 angeschlossen ist. Der
Multibit Delta-Sigma-Wandler 3 wandelt das analoge Eingangssignal 4 in
ein – zum
Beispiel thermometrisch kodiertes – Ausgangssignal 2 bestimmter
Bitbreite um. Er enthält
einen Digital-Analog-Wandler bestimmter Bitbreite 5 und
kann eine DEM-Einheit 6 zum dynamischen Elementeabgleich
aufweisen, die die Thermometerkodeleitungen des Thermometerkodes
regelmäßig vertauscht
bzw. permutiert. Die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung 1 weist
eine Steuereinrichtung 7 auf, die das digitale Ausgangssignal 2 des
Delta-Sigma-Wandlers 3 aufnimmt,
entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens
kalibriert und an einem Ausgang 8 ausgibt. Die Steuereinrichtung 7 ist über Datenleitungen 9 mit
einem Speicher 10 gekoppelt, der die tatsächlichen
Bitgewichte des Digital-Analog-Wandlers 5 des Delta-Sigma-Wandlers 3 enthält. Darüber hinaus
kann die Kalibriereinrichtung 1 eine zweite Steuereinrichtung 11 aufweisen,
die über Datenleitungen 12 mit
dem Speicher 10 gekoppelt ist. Die zweite Steuereinheit 11 ist über Leitungen 13, 14 der
ersten Steuereinrichtung 7 parallel geschaltet.
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Im
Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren
anhand einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung
zum Kalibrieren von Bitgewichten in Multibit Delta-Sigma-Wandlern
erläutert.
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Das
beispielsweise in Thermometerkode vorliegende digitale Ausgangssignal 2 eines
Multibit Delta-Sigma-Wandlers 3 wird von einer Steuereinrichtung 7 der
erfindungsgemäßen Kalibriervorrichtung 1 angenommen.
Die Steuervorrichtung 7 kalibriert nun die einzelnen Bitgewichte
auf die tatsächlichen Bitgewichte des
in dem Delta-Sigma-Wandler vorliegenden Digital-Analog-Wandler 5,
wobei die tatsächlichen
Bitgewichte in dem Speicher 10 abgelegt sind und die Steuervorrichtung
mit dem Speicher über
eine Leitung 9 gekoppelt ist.
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Das
so kalibrierte Ausgangssignal wird nun von der Steuervorrichtung 7 ausgangsseitig 8 bereitgestellt.
Dabei kann das Ausgangssignal 8 durchaus eine höhere Bitbreite
aufweisen als das Ausgangssignal des Delta-Sigma-Wandlers 2,
weil durch das Kalibrieren eine erhöhte Genauigkeit für die Signale
des Thermometerkodes erreicht wird. Wenn beispielsweise die tatsächlichen
Bitgewichte bis auf zwei Dezimalkommastellen bekannt sind und die
Bitgewichte auf diese Genauigkeit kalibriert werden, muss die Bitbreite
der Thermometerkodesignale auf mindestens 7 Bit verbreitert werden
(1/27=1/124 < 0,01).
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Wenn
der Multibit Delta-Sigma-Wandler 3 außerdem eine Einrichtung zum
dynamischen Elementeabgleich 6 aufweist, können die
optimalen Bitgewichte auch mittels Korrelation bestimmt werden.
In einer solchen weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kalibriervorrichtung
ist der ersten Steuereinrichtung 7 über Leitungen 13, 14 eine
zweite Steuereinrichtung 11 parallel geschaltet. Diese
zweite Steuereinrichtung 11 kann über Leitungen 12 in
den Speicher 10, der vorgegebene Bitgewichte enthält, schreiben.
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Die
Steuereinrichtung 11 misst die Korrelation zwischen dem
Ausgangssignal des Delta-Sigma-Wandlers 2 und dem von der
Steuereinrichtung 7 kalibrierten Ausgangssignal 8 und
verändert
die Bitgewichte im Speicher 10 vermittels der Leitung 12 derart,
dass die Korrelation minimal wird. Das Einstellen der Bitgewichte über das
Messen der Korrelation zwischen dem Ausgangssignal des Delta-Sigma-Wandlers 3 und
dem Ausgangssignal der Kalibriervorrichtung 1 hat den Vorteil,
dass die tatsächlichen
Bitgewichte des im Delta-Sigma-Wandlers 3 eingesetzten
Digital/Analog-Wandlers 5 nicht vorgegeben sein müssen.
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So
kann die Kalibrierung der Bitgewichte für das digitale Ausgangssignal
parallel gleichzeitig für
die einzelnen Bits erfolgen oder auch seriell nacheinander. Das
Verfahren ist auch unabhängig
von der Kodierung des digitalen Ausgangssignals des Delta-Sigma-Wandlers 3.
Die Kodierung kann beispielsweise im Thermometerkode vorliegen oder
binär kodiert
sein. Die erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung
ist nicht auf den in der vorstehenden 5 gezeigten
Aufbau beschränkt.
Insbesondere kann die Kalibriervorrichtung 1 selbst Bestandteil
eines Multibit Delta-Sigma-Wandlers sein.
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- DSW
- Delta-Sigma-Wandler
- ES
- analoges
Eingangssignal
- DV
- Differenzverstärker
- I
- Integrierer
- Q
- Quantisierer
- DEM
- Dynamic
Element Matching-Einheit
- AS
- Ausgangssignal
- DAW
- Digital-Analog-Wandler
- I1,
.. I7
- Stromquellen
- S1,
...S7
- Schalter
- K
- Komparator
- R
- Widerstand
- X
- Sammelschiene
- A1,
A2
- Anschlüsse
- GND
- Masse
- 1
- Kalibriereinrichtung
- 2
- digitales
Ausgangssignal
- 3
- Multibit
Delta-Sigma-Wandler
- 4
- analoges
Eingangssignal
- 5
- Digital-Analog-Wandler
- 6
- DEM-Einheit
- 7
- Steuereinrichtung
- 8
- kalibriertes
Ausgangssignal
- 9
- Leitung
- 10
- Speicher
- 11
- Steuereinrichtung
- 12
- Leitung
- 13
- Leitung
- 14
- Leitung
- 15
- Eingang
- 16
- Ausgang
- 17
- Eingang
- 18
- Eingang
- 20,
21, 22
- digitale
Thermometerkode-Signale
- 23,
24, 25
- Bitgewichte
- 26,
27, 28
- Multiplizierer
- 29,
30, 31
- kalibrierte
Signale
- 34,
35, 36
- Addierer
- 37
- Ausgangssignal
