DE19741794A1

DE19741794A1 - Vorrichtung zur Fehlerkorrektur eines PWM-Signals

Info

Publication number: DE19741794A1
Application number: DE19741794A
Authority: DE
Inventors: Michael Smedegaard Pedersen
Original assignee: Becker GmbH
Current assignee: Harman Becker Automotive Systems GmbH
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1997-09-22
Publication date: 1999-03-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen, insbesondere in PWM-Verstärkern.

Es sind PWM-Verstärker bekannt, deren Ausgangssignal über eine Rückkopplungsschleife mit einem R-C-Filter und einem Analog/Digital-Wandler zu einem DSP-Baustein im Signaleingangspfad rückgekoppelt sind. Mittels dieser Rückkopplungsschleife können Fehler in der Signalverstärkung korrigieren. Dabei zeigt die Rückkopplungsschleife durch die Verwendung des R-C-Filters sowie durch die Verwendung des Analog/Digital-Wandler eine Zeitkonstante, welche die sofortige Korrektur in Echtzeit nicht möglich erscheinen läßt.

Diese Zeitverzögerung im Rückkopplungspfad bewirkt einen verminderten Phasenrand dar. Dies bedeutet, daß die Closed-Loop-Bandbreite einer solchen Anordnung verglichen mit einem reinen anlogen Rückkopplungspfad erheblich eingeschränkt ist, so daß ein solches System nur für tiefe Frequenzen nutzbar ist wie z. B. für ein Subwoofer System. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen darzustellen, welche Störungen in dem zeitlichen Verlauf der Anstiegs- oder der Abfallflanken der PWM-Signale korrigiert, welche insbesondere bei einer Verwendung in einem Audio-PWM-Verstärkers in der Lage ist das gesamte Audio-Frequenzband (bis 20 kHz) zu korrigieren.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Erfindungsgemäß werden der Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen PWM-Eingangssignale zugeführt, welche als ungestörte, fehlerfreie Signale betrachtet werden. Diese werden einer Verzögerungseinheit zugeführt, wo sie gesteuert entsprechend einer differenzierten Analyse die Anstiegs- bzw. Abfallflanken jeweils spezifisch und unabhängig voneinander verzögern. Die zeitlich korrigierten, verzögerten Signale werden anschließend am Beispiel eines PWM-Verstärkers der Verstarkerstufe zugeführt, welche die Ursache der Störungen im Signalverlauf der PWM-Signale darstellt. Das verstärkte PWM-Signal wird als PWM-Ausgangssignal an nachfolgende Vorrichtungen zur Wiedergabe weitergegeben. Diese nachfolgenden Vorrichtungen zur Wiedergabe bereiten das PWM-Audiosignal weiter auf und führen es elektrisch akustischen Wandlern zu, welche das Audiosignal für den Benutzer hörbar machen.

Die PWM-Ausgaggssignale werden darüber hinaus einer Rückkopplungsschleife zugeführt, in welcher in einer Vergleichseinheit das PWM-Ausgangssignal mit dem PWM-Eingangssignal verglichen wird, was bevorzugt durch eine einfache Differenzbildung zwischen dem PWM-Ausgangssignal und dem PWM-Eingangssignal erreicht wird. Durch diesen Vergleich ist ein Maß für die zeitliche Störung der PWM-Signale gegeben. Dieses Vergleichssignal wird im folgenden als Error-Signal bezeichnet.

Vorzugsweise zeigt die Rückkopplungsschleife eine Einheit zur Verstärkungsanpassung, welche das PWM-Ausgangssignal in eine für den Vergleich mit dem PWM-Ein gangssignal geeignete Form überführt, was bei der bevorzugten Differenzbildung in der Vergleichseinheit ein Anpassen auf vergleichbare Signalpegel beinhaltet.

Das Error-Signal wird neben einer Einheit zur qualitativen Beurteilung der Störung, d. h. einer Einheit zur Feststellung, ob die Anstiegsflanke und/oder die Abfallflanke des PWM-Signals korrigiert, d. h. verzögert werden muß, auch einer Einheit zur quantitativen Beurteilung der Störung zugeführt. Die Einheit zur quantitativen Beurteilung der Störung stellt fest, in welchem zeitlichen Umfang der Fehler im zeitlichen Verlauf des PWM-Signals vorliegt und damit in welchem Umfang das Verzögern vorgenommen werden muß. Die beiden Steuersignale der Einheiten zur quantitativen bzw. zur qualitativen Beurteilung der Störung werden der Verzögerungseinheit zugeführt, wodurch eine spezifische zeitliche Korrektur für jede Flanke durchgeführt werden kann.

Durch die Erfindung gelingt es, Störungen in dem zeitlichen Verlauf des PWM-Signals spezifisch zu korrigieren und dadurch die Qualität der Übertragung und Verarbeitung von PWM-Verstärkern und ähnlichem deutlich zu verbessern.

Eine beispielhatte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird am Beispiel eines PWM-Verstärkers in Fig. 1 dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Eingang 1 für ungestörte, zu verstärkende PWM-Eingangssignale. diese werden einer Verzögerungseinheit 2 zugeführt, in der die eingehenden Signale bei Bedarf flankenspezifisch verschieden lang verzögert. Die ggf. verzögerten Signale werden einer nachgeordneten Verstärkerstufe 3 zugeführt, welche die PWM-Signale verarbeitet und welche im Rahmen der Verarbeitung Störungen in die PWM-Signale einbringt. Diese Störungen können den zeitlichen Verlauf der PWM-Signale betreffen. Diese Störungen im zeitlichen Verlauf d. h. Störungen im Zeitpunkt der Anstiegs- oder Abfallflanke werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Korrektur von PWM-Signalen mittels zielgerichteter Verzögerung der Anstiegs- und/oder Abfallflanken behoben. Dies wird erreicht, indem das PWM-Ausgangssignal der störungserzeugenden Einheit, welche hier eine PWM-Verstärkerstufe 3 darstellt, neben dem PWM-Signalausgang 4 einer Rückkopplungsschleife zugeführt wird. Eine Einheit zur Verstärkungsanpassung 16, welche in den meisten Fällen als Widerstandsnetzwerk ausgelegt ist, generiert ein dem PWM-Eingangssignal angepaßte Signalspannung, die der Vergleichseinheit 5 zugeführt wird. Im Rahmen der Rückkopplungsschleife wird mittels einer Vergleichseinheit 5 ein Error-Signal generiert. Die Vergleichseinheit 5 bildet die Differenz zwischen dem angepaßten PWM-Ausgangssignal und dem PWM-Ein gangssignal und bildet somit ein Signal, das als Maß für die Störung im zeitlichen Verlauf des PWM-Signals verwendet werden kann.

Das Error-Signal wird einem Loop-Filter 6, der als Low-Pass-Filter ausgebildet ist, zugeführt, durch ein analoges Error-Signal generiert wird. Dieses analoge Error-Signal wird einem Komparator 7 zugeführt, der zusammen mit dem Loop-Filter 6 die Einheit zur qualitativen Beurteilung des PWM-Signals darstellt. Der Komparator 7 ist so ausgebildet, daß er bei einem Vorliegen eines positiven Error-Signals, d. h. das angepaßte PWM-Ausgangssignal ist größer als das PWM-Eingangssignal bzw. das PWM-Aus gangssignal eilt dem PWM-Eingangssignal voraus, ein logisches High-Signal generiert. Ist das Error-Signal negativ, d. h. ist das angepaßte PWM-Ausgangssignal kleiner als das PWM-Eingangssignal bzw. eilt das PWM-Eingangssignal dem PWM-Ausgangssignal voraus, so zeigt der dargestellte Komparator 7 einen Ausgangspegel, der dem logischen Wert Low entspricht.

Das analoge Error-Signal wird neben dem Komparator 7 auch einer Einheit zur Bestimmung des Absolutwertes 8 des analogen Signals zugeführt. Dieser Absolutwert stellt ein Maß für die erforderliche Verzögerung der Anstiegs- und/oder der Abfallflanke durch die Verzögerungseinheit dar. Der Loop-Filter 6 und die Einheit zur Bestimmung des absoluten Wertes 8 bilden zusammen die Einheit zur quantitativen Beurteilung der Störung.

Die beiden Ausgangssignale der Einheiten zur quantitativen bzw. zur qualitativen Beurteilung der Störung bilden die Steuersignale für die Verzögerungseinheit 2. Diese Verzögerungseinheit 2 zeigt zwei getrennte Kreise, einen Kreis zur Verzögerung der Anstiegsflanke und einen Kreis zur Verzögerung der Abfallflanke. Beide Kreise zeigen einen vergleichbaren Aufbau.

Der Kreis zur Verzögerung der Anstiegsflanke zeigt ein AND-Gatter 9, dem neben dem PWM-Eingangssignal auch das Steuersignal des Komparators 7 zugeführt ist. Die mit dem logischen Operator AND verknüpften digitalen Signale werden einer Delay-Einheit 10 zugeführt, welche eine kontinuierliche, variable Verzögerung des zugeführten Eingangssignals vornimmt. Das Maß der Verzögerung wird durch das Steuersignal der Einheit zur quantitativen Beurteilung festgelegt. Die Delay-Einheit 10 läßt sich z. B. als Low-Pass- oder Band-Pass-Filter realisieren, welche ein oder mehrere variable R- und/oder C-Glieder aufweist. Durch die variablen R- und/oder C-Glieder läßt sich die Verzögerungszeit stufenlos einstellen.

Neben dem durch die Delay-Einheit 10 verzögerten Signal wird das unverzögerte Signal einem zweiten AND-Gatter 11 zugeführt, wodurch das zeitlich nach hinten Verschieben der Anstiegsflanke erreicht wird.

Der andere Kreis zur Verzögerung der Abfallflanke zeigt auch ein AND-Gatter 12, dem neben dem PWM-Eingangssignal das Steuersignal der Einheit zur qualitativen Beurteilung der Störung zugeführt ist, wobei hier das invertierte Steuersignal dem AND-Gatter 12 zugeführt ist. Das Ausgangssignal dieses AND-Gatters 12 wird wiederum in zwei Signalwege aufgeteilt, von denen einer eine Delay-Einheit 13 in der zuvor beschriebenen Art auf-weist. Das mittels der Delay-Einheit 13 um eine durch die Einheit zur quantitativen Beurteilung der Störung festgelegten Verzögerungszeit kontinuierlich verzögerte Signal wird zusammen mit dem nicht verzögerten Signal einem OR-Gatter 14 zugeführt. Dadurch wird die Verzögerung der Abfallflanke um die festgelegte Verzögerungszeit erreicht.

Das Ausgangssignal des zweiten AND-Gatters 11 und des OR-Gatters 14 werden einem für beide Kreise gemeinsamen OR-Gatter 15 zugeführt, wodurch die Zusammenführung der ggf. verzögerten Anstiegsflanken und der ebenso unabhängig von der Anstiegsflanke verzögerten Abfallflanke zu einem gemeinsamen fehlerkorrigierten PWM-Signal zusammenführt.

Durch diese besondere Ausbildung mit der einfachen Schaltlogik in der Verzögerungseinheit 2 und dem einfachen analogen Aufbau der Einheiten zur quantitativen und qualitativen Beurteilung der Störungen ist es möglich, die Fehlerkorrektur in Echtzeit mit einer sehr großen Regelungsbandbreite zu gewährleisten, da zeitaufwendige Berechnungsalgorithmen oder Analog/Digital-Wandlungen nicht benötigt werden. Dieser einfache Aufbau der Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen gewährleistet also ein sehr sicheres Korrigieren von Zeitfehlern in Echtzeit.

Bezugszeichenliste

1

PWM-Signal-Eingang

2

Verzögerungseinheit

3

Verstärkerstufe

4

PWM-Signalausgang

5

Vergleichseinheit

6

Loop-Filter

7

Komparator

8

Einheit zur Bestimmung des Absolutwertes

9

AND-Gatter im ersten Kreis

10

Delay-Einheit im ersten Kreis

11

zweites AND-Gatter im ersten Kreis

12

AND-Gatter im zweiten Kreis

13

Delay-Einheit im zweiten Kreis

14

OR-Gatter im zweiten Kreis

15

OR-Gatter

16

Einheit zur Verstärkungsanpaßung

Claims

1. Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen, insbesondere in PWM-Verstärkern,
welcher PWM-Eingangssignale zugeführt sind,
welche PWM-Ausgangssignale an nachfolgende Vorrichtungen zur Wiedergabe weitergibt,
welche zwischen ihrem PWM-Signal-Eingang (1) und ihrem PWM-Signal-Aus gang (4) eine oder mehrere störungserzeugende Einheiten (3) aufweist,
welche eine Rückkopplungsschleife aufweist, in welcher eine Vergleichseinheit (5) zum Vergleichen des PWM-Ausgangssignals und des PWM-Eingangssignals aufweist, wobei dieser Vergleichseinheit (5) eine Einheit zur Qualitativen Beurteilung der Störung, welche feststellt ob Flanken der PWM-Eingangssignale den entsprechenden Flanken der PWM-Ausgangssignale voraneilen oder umgekehrt, und eine Einheit zur Quantitativen Beurteilung der Störung, welche feststellt, welchen zeitlichen Umfang ein derartiges Voraneilen hat,
und welche eine Verzögerungseinheit (2) aufweist, welche abhängig von der qualitativen und quantitativen Beurteilung der Störung die Anstiegs- und/oder Abfallflanke des PWM-Eingangssignals spezifisch verzögert.

2. Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinheit (5) eine Stufe zur Bildung eines Differenzsignals zwischen PWM-Eingangssignal und PWM-Ausgangssignal als Maß für die Störung der PWM-Signals aufweist.

3. Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschleife eine Einheit zur Verstärkungsanpaßung (16) aufweist, welche das PWM-Ausgangssignal dem PWM-Eingangssignal anpaßt und dadurch ein Vergleich bzw. eine Differenzbildung des angepaßten PWM-Ausgangssignals und des PWM-Eingangssignals gegeben ist.

4. Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit zur Qualitativen Beurteilung einen Low-Pass-Filter oder Band-Pass-Filter (6) und einen darauf folgenden Komparator (7) aufweist, der mit der Verzögerungseinheit (2) verbunden ist und dieser die Information zuführt, ob die Flanken der PWM- Eingangssignale den entsprechenden Flanken der PWM-Ausgangssignale voraneilen oder umgekehrt oder zeitgleich sind und dadurch die betreffenden Flanken in der Verzögerungseinheit (2) verzögert werden.

5. Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verzögerungseinheit (2) zwei getrennt Kreise aufweist, von denen jeweils einer in Abhängigkeit der Informationen der Einheiten zur Qualitativen und Quantitativen Beurteilung der PWM-Signale die Verzögerung der Anstiegsflanke und einer die Verzögerung der Abfallflanke der PWM-Eingangssignale bewirkt.

6. Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen, nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der eine Kreis zur Verzögerung der Anstiegsflanke ein AND-Gatter (9) mit einen Eingang für das PWM-Eingangssignal und mit einen Eingang für das Aus gangssignal der Einheit zur Qualitativen Beurteilung der PWM-Signal zeigt, welches einen Wert High aufweist, sobald die Anstiegsflanke des PWM-Aus gangssignals zu früh angestiegen ist, und mit einem Ausgang, der aufgeteilt ist und die aufgeteilten Leitungen einem zweiten AND-Gatter dahingehend zugeführt sind, daß eine Leitung eine Delay-Einheit (10) aufweist, welche mit der Einheit zur Quantitativen Beurteilung der PWM-Signale verbunden ist und abhängig von dem durch diese Einheit zugeführten Signal das aus dem ersten AND-Gatter (9) zugeführte Signal um einen festgelegten Zeitraum verzögert,
und daß der andere Kreis zur Verzögerung der Abfallflanke ein AND-Gatter (12) mit einen Eingang für das PWM-Eingangssignal und mit einen Eingang für das invertierte Ausgangssignal der Einheit zur Qualitativen Beurteilung der PWM-Signal zeigt, welches einen Wert Low aufweist, sobald die Abfallflanke des PWM-Ausgangssignals zu früh abgefallen ist, und mit einem Ausgang, der aufgeteilt ist und die aufgeteilten Leitungen einem OR-Gatter (14) dahingehend zugeführt sind, daß eine Leitung eine Delay-Einheit (13) aufweist, welche mit der Einheit zur Quantitativen Beurteilung der PWM-Signale verbunden ist und abhängig von dem durch diese Einheit zugeführten Signal das aus dem AND-Gatter (12) zugeführte Signal um einen festgelegten Zeitraum verzögert,
wobei die Ausgänge der beiden Kreis einem OR-Gatter (15) zugeführt sind, dessen Ausgang das PWM-Ausgangssignal zeigt.

7. Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen, nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Delay-Einheit (13, 10) ein RC-Glied mit variablem R- und/oder C-Glied aufweist, welches abhängig von dem von der Einheit zur Quantitativen Beurteilung zugeführten Signal das der Delay-Einheit (10, 13) zugeführte PWM-Signal um einen festgelegten, veränderlichen Zeitraum verzögert.

8. Vorrichtung zur Korrektur von gestörten PWM-Signalen, nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Korrektur Teil eines PWM-Verstärkers ist und eine oder mehrere Verstärkerstufen (3) als störungserzeugende Einheiten im PWM-Signalweg angeordnet sind und ihr verstärktes gestörtes PWM-Ausgangssignal dem PWM-Signal-Ausgang (4) und der Rückkopplungsschleife zugeführt ist.