DE2339495A1 - Deltamodulator - Google Patents

Description

9143-73/Kö/S
Case 72167
Convention Date:
August 25, 1972

Industrial Research Products, Inc., Elk Grove Village,

111., V.St.A.

Deltamodulator

Die Erfindung betrifft einen Deltamodulator für die Audiosignalbehandlung, der im demodulierten Modulatorausgangssignäl ein subjektiv erträgliches statistisches Blindrauschen hervorruft, mit einem hochverstärkenden Vergleicherverstärker mit zwei Eingängen, dessen einem ein ursprüngliches Analogsignal zugeführt wird; mit einer Tastschaltung mit einem Flipflop mit an den Ausgang des Vergleicherverstärkers angeschlossenem Haupteingang, Tasteingang und zwei Ausgängen, deren einer den Modulatorausgang bildet; mit einem Taktgeber, der durch Beaufschlagen des Tasteingangs der Tastschaltung mit einem hochfrequenten Taktsignal die Tastschaltung unter Erzeugung zweier Ausgangsimpulssignale von entgegengesetzter Polarität an ihren Ausgängen zwischen zwei wechselnden Betriebszuständen schaltetj und mit einer zwischen den einen Ausgang der Tastschaltung und den einen Eingang des Vergleicherverstärkers geschalteten Integrations-Gegenkopplungsschaltung mit kurzer Zeitkonstante, die durch Integrieren eines der Ausgangsimpulssignale der Tastschaltung ein dem ursprünglichen entsprechendes Analogsignal erzeugt und dem Vergleicherverstärker gegensinnig zum ursprünglichen Analogsignal zuleitet.

Die Deltamodulation in ihrer einfachsten Form ist eine bekannte Methode der Umsetzung von Analog- in Digitalsignale, wobei durch Demodulation des Digitalsignals eine treppenförmige Approximation

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oder Entsprechung des ursprünglichen Analogsignals gewonnen werden kann. Die Abweichung von der originalgetreuen Wiedergabe des ursprünglichen Signals äußert sich als effektiv hinzugefügtes Rauschen oder Störgeräusch. Normalerweise ist dieses Rauschen von ausreichend statistischer Natur und wird durch das Analogsignal hinreichend maskiert oder überdeckt, so daß die Anwendung der Deltamodulation in Audioanlagen praktikabel ist. Jedoch tritt ein besonders subjektiv störendes Rauschen im demodulierten Ausgangssignal im Leer- oder Blindbetrieb auf, d.h. wenn der Deltamodulator kein oder nur ein sehr schwachpegeliges Eingangssignal empfängt. Dieses Rauschen oder Störgeräusch ist als Blindrauschen oder Schwellenrauschen bekannt.

In einem Deltamodulator wird das Digitalsignal dadurch gebildet, daß die Polarität der Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und einem demodulierten Signal getastet wird, das aus der Bewertung des Digitalsignals in einem Integrator gewonnen wird. Die Grundschaltung für die Analog-Digital-Umsetzung besteht aus einem Vergleicher, einer taktgesteuerten Tastschaltung zum Tasten des Vergleicherausgangssignals und einem Integrator zum Decodieren oder Demodulieren des digitalen Ausgangssignals der Tastschaltung. Der Vergleicher vergleicht das ursprüngliche Analogsignal mit dem aus dem digitalen Aus gangs signal und vom Integrator erhaltenen demodulierten Signal. Die Polarität des Vergleicherausgangssignals wirdvon der Tastschaltung in festen Taktintervallen getastet, und es werden Digitalgrößen von einer die Differenz zwischen dem Analogsignal und dem decodierten Signal verringernden Polarität erzeugt. Nach der Behandlung oder Übertragung des Digitalsignals kann mit Hilfe eines genau gleichartigen Integrators wie der im Deltamodulator verwendete das Digitalsignal demoduliert und damit eine Nachbildung des ursprünglichen Signals gewonnen werden.

Wenn ein Deltamodulator nicht vollkommen abgeglichen oder symmetriert ist, so daß das Rückkopplungssignal genau auf den MittejL punkt der Bezugsspannung eingestellt ist, kann im demodulierten Signal ein erhebliches Blindrauschen, wie oben beschrieben, auftreten. Dieses Blindrauschen macht sich besonders dann bemerkbar, wenn das Eingangssignal null ist. Die Größe des Blindrauschens und

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sein Frequenzgehalt sind veränderlich, wobei minimale und maximale Rauschpegel in Abhängigkeit von Änderungen des Ausmaßes der Unsymmetrie der Schaltung auftreten.

Bei einem genau symmetrierten Deltamodulator tritt kein Blind rauschen auf. Jedoch ist eine genaue und präzise Symmetrierung schwierig zu erreichen. Ferner ergibt sich nach einem gewissen Zeitraum infolge von Alterung der Schaltungselemente nahezu unvermeidbar eine merkliche Unsymmetrie und folglich ein gewisses Rauschen. Der gleiche Effekt ergibt sich häufig aus Symmetrieabweichungen aufgrund von Temperaturänderungen und anderweitigen Umgebungseinflüssen.

Ferner ist die Ansprechung eines vollkommen symmetrierten Deltamodulators auf kleine Eingangssignale für viele Audiosysteme noch unbefriedigend. Ein Eingangssignal, dessen Amplitude gerade ausreicht, um das perfekte Blindspektrum des genau symmetrierten Modulators zu durchbrechen, ruft im Ausgangssignal Störstöße hervor, die in starker wechselseitiger Beziehung zum Eingangssignal stehen. Dies hat den subjektiven Eindruck eines störenden harten Rauschens zur Folge, das jeweils "hinter dem Signal" auftritt. Andererseits kann man erreichen, daß ein Deltamodulator, der ganz geringfügig unsymmetriert ist, mit einem niedrigen Stör- oder Rauschpegel arbeitet, der nicht nennenswert ansteigt oder sich im Klangcharakter ändert, wenn die Eingangssignalamplitude nahe dem Nullpegel ansteigt oder abfällt. Es ist daher besonders bei Audiosystemen wünschenswert, daß der Deltamodulator mit einem Rauschpegel arbeitet, der ziemlich klein und verhältnismäßig gleichmäßig über ein breites Frequenzband verteilt ist, statt daß isolierte Töne oder Zwitschergeräusche, die subjektiv störend sind, auftreten.

Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Niederpegel-Breitband-Rauschcharakteristik im Betrieb eines Deltamodulators dadurch zu erzielen, daß man zum Modulatoreingangssignal absichtlich eine kleine Komponente an "weißem Rauschen" hinzufügt. Dies bewirkt eine konstante Anregung des Modulators und verhindert die Ausbildung eines festen Blindspektrums und kann außerdem einen glatten niederpegeligen Signalübergang vom Nulleingangszustand mit sich bringen.

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Jedoch steigt das Gesamtrauschen des Systems häufig unerwünscht stark an. Ein ähnlicher Lösungsvorschlag geht dahin, daß man dem Modulatoreingangssignal ein "Aufschaukel"-Signal einer einzigen Frequenz zugibt, das gewünschtenfalls aus dem endgültigen Ausgangs, signal wieder herausgefiltert werden kann. Diese Methode, ebenso wie die der Anwendung einer hinzugefügten Rauschkomponente, bringt eine Erhöhung der Kosten und des Scha3.tungsaufwandes für den Modulator mit sich und kann außerdem ein unerwünscht starkes Ansteigen des Rauschpegels zur Folge haben.

Ein dritter Lösungsvorschlag geht dahin, daß man den Deltamodulator absichtlich in einem solchen Ausmaß unsymmetriert, daß sich ein Blindspektrum mit verhältnismäßig niedriger Rauschamplitude im Ton- oder Audiofrequenzbereicb. ergibt. Diese an sich zwar brauchbare Methode erfordert aber eine sorgfältige Einstellung der Rückkopplungsschaltung, damit die nötige geringfügige Unsymmetrie erreicht wird, und es ergeben sich die gleichen Schwierigkeiten hinsichtlich der Abwanderung der eingestellten Werte infolge von Alterung von Schaltungselementen oder infolge von Temperaturschwankungen wie bei einem genau symmetrierten Modulator. Eine ähnliche Methode ist in der USA-Patentschrift 2 817 061 beschrieben, wo die Integrator-Rückkopplungsschleife so ausgebildet ist, daß sich eine Ansprechung ergibt, die für negativ gerichtete Impulse anders als für positiv gerichtete Impulse ist. Diese asymmetrische Anordnung neigt jedoch zu einer asymmetrischen Übersteuerungscharakteristik, wodurch der dynamische Bereich des Deltamodulators eingeschränkt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die Audiosignalbehandlung geeigneten Deltamodulator zu schaffen, der die genannten Nachteile und Schwierigkeiten weitgehend behebt oder beseitigt.

Der Deltamodulator soll mit einem schwachen Blindrauschen arbeiten, das statistischer Natur und subjektiv weniger störend ist als bei Anordnungen gemäß dem Stand der Technik. Es soll ein stetiges oder stoßfreies Rauschverhalten während des Übergangs zwischen nicht vorhandenem und anwesendem Eingangssignal erzielt werden.

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Insbesondere soll der Deltamodulator Audiosignale über einen weiten dynamischen Bereich wirksam verarbeiten können, und zwar unter Einführung eines nur minimalen Rauschgehalts in das Audiosignal, wobei der Rauschpegel im Zuge der Bewerkstelligung eines stoßfreien Arbeitens bei niedrigen Eingangssignalpegeln nicht ansteigt und auch die Neigung zum Übersteuern sich nicht erhöht.

Weiter soll der für die Audiosignalbehandlung geeignete Deltamodiiator mit einem verhältnismäßig konstanten niedrigen Rauschpegel über einen erheblichen Frequenzbereich arbeiten sowie einen im wesentlichen gleichmäßigen und stabilen Betrieb über lange Zeiträume mit nur wenig oder gar keiner Abweichung auch bei erheblichen Temperaturschwankungen und Änderungen anderer Umwelteinflüsse gewährleisten.

Der Deltamodulator soll dabei einfach aufgebaut und billig herzustellen sein und dennoch eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen haben.

Ein Deltamodulator der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einen der Ausgänge der Tastschaltung und den anderen Eingang des Vergleicherverstärkers eine Vorspann-Rückkopplungsschaltung mit einer Integrierschaltung mit langer Zeitkonstante geschaltet ist, die einen Bezugspegel für die automatische Vorspannung des Vergleicherverstärkers herstellt und außerdem ein Wechselstrom-Gegenkopplungssignal von begrenzter Amplitude überträgt, derart, daß in das Modulatorausgangssignal ein begrenzter breitbandiger Rauschanteil eingeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 das Schaltschema eines herkömmlichen Deltamodulators;

Figur 2 das Schaltschema einer einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Deltamodulators; und

Figur 3 das Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Deltamodulators.

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Figur 1 zeigt einen herkömmlichen Deltamodulator 10 mit einem hochverstärkenden Vergleicherverstärter 11 mit Umkehreingang 12 und Direkteingang 13· Vom Eingang 15 des Deltamodulators 10 ist über einen Längswiderstand 14 dem Umkehreingang 12 des Vergleicherverstärkers 11 ein ursprüngliches Analogsignal zuführbar. An den anderen Eingang 13 des Vergleicherverstärkers 11 ist eine Bezugsschaltung angeschlossen, die in der einfachen Ausführungsform nach Figur 1 aus der zwischen den Eingang 13 und Masse als Bezugspotentialpunkt geschalteten Reihenschaltung eines Widerstands 16 und einer Batterie 17 besteht.

Der Ausgang 18 des Vergleicherverstärkers 11 ist an den Haupt eingang D eines Flipflops 19 angeschlossen, das als Tastschaltung arbeitet, wobei die Tastfrequenz durch ein dem Tasteingang C des Flipflops 19 von einem Taktgeber 22 zugeleitetes Taktsignal 21 bestimmt wird. Der Taktgeber 22 kann irgendeine herkömmliche Oszillatorschaltung sein, die scharf definierte Taktimpulse für das Taktsignal 21 liefert.

Der Q-Ausgang des Flipflops 19 ist an einen Ausgang 23 angeschlossen, der den Ausgang des Deltamodulators 10 bildet. Ferner ist der O-Ausgang des Flipflops an eine Integrations-Gegenkopplungs, schaltung 24 mit der Reihenschaltung zweier Widerstände 25 und 26, von denen der Widerstand 26 auf den Umkehreingang 12 des Vergleicherverstärkers 11 zurückgeschaltet ist, angeschlossen. Die Gegenkopplungsschaltung 24 hat eine kurze Zeitkonstante. Der Verbindungspunkt 27 der Widerstände 25 und 26 liegt über einen Kondensator 28 an Masse.

Wenn am Eingang 15 kein Eingangssignal ansteht, vergleicht der Vergleicherverstärker 11 die Bezugsspannung von der Bezugsschaj. tung 16, 17 mit der Ladung des Kondensators 28 in der Gegenkopplungsschaltung 24· Wenn die Bezugsspannung größer ist als die Ladespannung des Kondensators 28, arbeitet der Vergleicherverstärker im hochamplitudigen Betrieb. Das Flipflop 19 tastet das Ausgangssignal des Vergleicherverstärkers 11 bei jedem Impuls des Taktsignals 21, indem es das Signal am Haupteingang D jeweils zum Zeitpunkt des Taktimpulses zum Q-Ausgang überträgt. Somit wird das Ausgangssignal

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am O-Ausgang hoch, so daß sich die Ladung des Kondensators 28 erhöht.

Beim Auftreten des nächsten Taktimpulses kann die Spannung am Kondensator 28 immer noch unter der dem Vergleicherverstärker 11 von der Bezugsschaltung 16, 17 gelieferten Bezugsspannung liegen. In diesem Fall bleibt der Ausgang des Vergleicherverstärkers hoch, so daß auch der O-Ausgang des Flipflops 19 für ein weiteres Taktintervall hoch bleibt und die Ladung des Kondensators 28 weiter ansteigt. Dieser Vorgang dauert an, bis die Spannung am Kondensator 28 den Wert der Bezugsspannung übersteigt. Wenn dies geschieht, schaltet der Vergleicherverstärker 11 in seinen niederamplitudigen Zustand zurück, und der beim nächsten Impuls des Taktsignals 21 erfolgende nächste Tastvorgang des Flipflops 19 bewirkt, daß dessen O-Ausgang niedrig wird, so daß sich der Kondensator 28 etwas entladen kann und dadurch sich seine Ladung entsprechend verringert.

Auf diese Weise wird ein "blinder" Gleichgewichtszustand erreicht, wenn die mittlere Spannung am Kondensator 28 gleich der dem Vergleichereingang 13 von der Bezugsschaltung 16, 17 zugeleiteten Bezugsspannung ist. Im Gleichgewichtszustand schaltet das am Q-Ausgang des Flipflops erscheinende Ausgangssignal bei jedem Impuls des Taktsignals 21 um, so daß am Ausgang 23 ein Ausgangssignal in Form einer Rechteckschwingung mit der halben Frequenz des Takt- _t signals 21 erzeugt wird. Bei diesem Leerlauf- oder Blindbetrieb wird abwechselnd bei jedem zweiten Impuls des Taktsignals 21 der Kondensator um einen kleinen Betrag aufgeladen bzw. um einen entsprechenden kleinen Betrag entladen.

Wenn jetzt dem Eingang 15 ein Analogsignal zugeleitet wird, steuert der Vergleicherverstärker 11 das Flipflop 19 so, daß Impulse erzeugt werden, die den Kondensator 28 in einer der Eingangsspannung folgenden Weise aufladen. Dies ergibt eine Modulation des digitalen Ausgangssignals am Ausgang 23, wobei das Digitalsignal den Informationsinhalt des dem Eingang 15 zugeleiteten Analogsignals enthält. Die Integrations-Gegenkopplungsschaltung 24 erzeugt ein entsprechendes Analogsignal, das kontinuierlich dem Vergleiche£ eingang 12 zugeleitet wird, und zwar gegensinnig zum Eingangssignal,

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so daß sich eine negative Rückkopplung oder eine Gegenkopplung ergibt.

Für eine eingehendere Betrachtung· des Gleichgewichts- oder Blindzustandes kann wiederum angenommen werden, daß am Eingang 15 laein Analogsignal ansteht. In diesem Fall ist klar, daß, wenn nicht die dem Vergleichereingang 13 zugeleitete Sezugsspannung genau gleich dem mittleren Gleichspannungswert der am Ausgang 23 erzeugten digitalen Rechteckschwiagung ist, sich zufällige Abweichungen vom vollkommenen Blindzustand ergeben müssen. Wenn beispielsweise die Spitze-Spitze-Amplitucle des digitalen Ausganffssignals von 0 bis -f-1 Volt reicht, so daß der Ilittelwert für den perfekten Blind- oder Leerlaufzustand 0,5 Volt beträgt, und wenn die Fezugsspannung 0,6 Volt beträgt, so müssen .gelegentliche Impulse von +1 Volt die Impulse von 0 Volt im Ausgangssignal ersetzen, damit sich die zusatz; liehe Aufladung des Kondensators 28 um 0,1 Volt ergibt. Das heißt. der Impulsverlauf für das digitale Ausgangssignal muß vom perfekten Verlauf abweichen, damit der Kondensator 28 eine mittlere Ladung von 0,6 Volt statt von 0,5 Volt erhält,

Als Folge dieser Abweichung treten im digitalen Verlauf des Ausgangssisnals am Ausgang 23 Frequenzen auf., die niedriger sind als die genaue Leerlauffrequenz von der Hälfte der Frequenz des Taktsignals 21. Im allgemeinen treten im Tonbereich stets gewisse Frequenzschwankungen auf. Diese ergeben das Leerlauf- oder Blindrauschen des herkömmlichen Deltamodulators, Die Amplitude des Audio rauschens und sein Frequenzinhalt ändern sich oder schwanken in einer solchen Weise, daß Maxima und Minima im Audiorauschpegel auftreten, wenn das Ausmaß der Unsymmetrie des Deltamodulators sich ändert. Die Schwierigkeiten und Probleme, die sich hinsichtlich der Minimalisierung des Elindrauschens und der dazugehörigen Übergangsstörungen beim Übergang vom signalfreien zum signalbeaufschlagten Zustand des Eingangs 15 ergeben, wurden bereits ausführlich erläutert.

Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Deltamodulator 30, bei dem die Bezugsschaltung des Modulators so abgewandelt ist, daß sich ein gleichmäßig niedriger Rauschanteil im Ausgangssignal sowohl im

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signalfreien (Leerlauf- oder Blind-) als auch im s_gnalbeaufschlag ten Zustand ergibt und daß auch der Übergang vom signalfreien zum signalbeaufehlagten Zustand stetig oder stoßfrei erfolgt. Der Deltamodulator 30 enthält den hochverstärkenden Vergleicherverstärker 11, der mit seinem Umkehreingang 12 über einen Widerstand 14 an den Eingang 15 angeschlossen ist. Der Ausgang 18 des Vergleicherverstärkers 11 ist an den D—Eingang einer Tastschaltung angeschlossen, die wiederum ein herkömmliches taktgesteuertes Flipflop 19 enthält. Dem Takteingang C des Flipflops 19 wird vom Taktgeber 22 das Taktsignal 21 zugeleitet.

Wie der Deltamodulator 10 nach Figur 1 enthält der Deltamodulator 30 eine Integrations-Gegenkopplungsschaltung 24 mit kurzer Zeitkonstante, die vom Q-Ausgang des Flipflops 19 auf den Umkehreingang 12 des Vergleicherverstärkers 11 zurückgeschaltet ist. Die Gegenkopplungsschaltung 24 besteht aus der Reihenschaltung zweier Widerstände 25 und 26, deren Verbindungspunkt 27 über den Speicherkondensator 28 an Masse liegt. Der Q-Ausgang des Flipflops 19 ist außerdem an den Ausgang 23 angeschlossen, der den Ausgang des Deltamodulators 30 bildet.

Die Bezugsschaltung für den Deltamodulator 30 enthält eine Vorspann-Rückkopplungsschaltung 31, die eine Integrierschaltung mit wesentlich längerer Zeitkonstante als die Gegenkopplungsschaltung 24 ist. Die Rückkopplungsschaltung 31 ist vom Q-Ausgang des Flipflops 19 auf den Direkteingang 13 des VergleicherVerstärkers zurückgeschaltet. Sie enthält einen Widerstand 32 in Reihe mit einem Potentiometer 33· Der Verbindungspunkt 34 zwischen dem Widerstand 32 und dem Potentiometer 33 ist an einen Speicherkondensator 35 angeschlossen, der über einen sehr kleinen Widerstand 36 an Masse liegt. Parallel zum Widerstand 32 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands 37 und eines nichtlinearen Impedanzelements 38, das im vorliegenden Fall eine Diode ist. Man kann aber stattdessen auch andere Einwegleiterelemente verwenden.

Für die Erläuterung der Wirkungsweise des Deltamodulators 30 nach Figur 2 soll zunächst angenommen werden, daß der Widerstand

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und die Diode 38 in der Schaltung nicht vorhanden sind. Unter dieser Voraussetzung erzeugt die Vorspann-Rückkopplungsschaltung 31, die ein Integrator mit langer Zeitkonstante ist, ein Bezugssignal, das im wesentlichen eine Gleichspannung mit begrenzten Schwankungen ist, die sich aus Änderungen im Langzeit-Mittelwert des digitalen Ausgangssignals am O-Ausgang des Flipflops 19 ergeben. Etwaige Spannungsabweichungen, die im Vergleicherverstärker 11 oder im Flipflop 19 erzeugt werden, werden durch die Rückkopplungsschaltung 31 effektiv ausgemittelt, so daß sie nur einen minimalen oder gar keinen Einfluß auf das digitale Ausgangssignal des Modulators am Ausgang 23 haben. Mit Hilfe dieser Vorspann-Rückkopplungsschaltung kann der Deltamodulator 30 so aufgebaut werden, daß sich ein perfekter Abgleich zwischen der dem Vergleichereingang 13 zugeleiteten Bezugsspannung und der der Ladung des Kondensators 28 entsprechenden mittleren Leerlauf- oder Blindspannung ergibt, wie oben erläutert. Wenn einmal der Abgleich erreicht ist, so kann durch Verstellen des Potentiometers 33 ohne weiteres eine geringfügige Unsymmetrie oder Verstimmung herbeigeführt werden, so daß in das Ausgangssignal des Modulators ein minimaler Rauschanteil eingeführt wird und die harten Störeffekte beseitigt werden, die vom Modulator erzeugt würden, wenn er im perfekt abgeglichenen Zustand arbeitete.

Wie bereits erwähnt,,hat der Widerstand 36 einen sehr kleinen ohmschen Wert. Dieser Widerstandswert ist so gewählt, daß er gerade noch ausreicht, um in Verbindung mit dem Widerstand32 den Vergleichereingang 13 über die durch die Rückkopplungsschaltung 31 gebildete Rückkopplungsschleife mit einem kleinen Wechselstrom— Gegenkopplungssignal zu beaufschlagen. Damit sich der erforderliche Unterschied der Zeitkonstanten ergibt, bemißt man den Kondensator 35 wesentlich größer als den Kondensator 28. Als Folge davon und aufgrund der Anwesenheit des Widerstands 36 erhält der Deltamodulator 30 ein sehr viel statistischeres Blindrauschspektrum über einen größeren Unsymmetrie- oder Verstimmungsbereich, als es mit einer festen Bezugsgröße, wie sie bei der herkömmlichen Anordnung verwendet wird, erreicht werden kann. Somit kann mit Hilfe des Widerstands 36 ein wirksamer und annehmbarer Betrieb für die Audiosignalbehandlung erzielt werden, ohne daß eine übermäßige Genauigkeit im Ausmaß der Abweichung vom genau abgeglichenen oder symmetrierten Zu-

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stand der Schaltung erforderlich ist.

Der Widerstand 37 und die Diode 38 führen einen zusätzlichen Faktor in die Arbeitsweise des Deltamodulators 30 ein. Man sieht, daß bei Einschaltung dieser zusätzlichen Schaltungselemente die Impedanz der Rückkopplungsschaltung: 31 für positiv gei^ichtete Impulse etwas niedriger ist als für negativ gerichtete lBipu3.se. Folg lieh ist die Lade- und Entladecharakteristik des Kondensators 35 asymmetrisch. Diese nichtlineare Charakteristik führt in die Arbeitsweise des üeltamodulators eine weitere statistische Größe ein, die ausschließt, daß sich ein festes Blindrausclispektrum einstellt. Die resultierende kombinierte Wirkungsweise auf der Grundlage einer vom 0-Ausgang des Flipflops 19 abgeleiteten automatischen Vorspannung für den Selbstabgleich des Modulators in Verbindung mit einer kleinen nichtlinearen Wechselstrom-Gesrenkopplungsspannung im Vorspannkreis sorgt für einen verläßlichen rauscharmen Leerlaufoder Blindbetrieb mit stoßfreiem Übergans: vom signalfreien zum signalbeaufschlagten Zustand, Ferner kann der Rauschantei.! des Ausgangssignals am Ausgang 23 über einen weiten Frequenzbereich und über einen breiten Bereich von Singangsspanntmgen auf einem niedrigen Pegel gehalten werden.

Figur 3 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem Deltamodulator 5ö> bei dem die in Figur 2 veranschaulichten Prinzipien in einer etwas komplizierteren Schaltung mit verbessertem dynamischen Bereich verwirklicht sind. Der Deltamodulator 50 enthält einen hochverstärkenden Verstärker 51 mit Umkehreingang 52 und Direkteingang 53. Der Eingangskreis des Deltamodulators enthält einen Widerstand 54* der in Reihe mit einem Koppelkondensator 56 zwischen den Umkehreingang 52 des Verstärkers 51 und den Modulatoreingang 55 geschaltet ist.

Der Verstärker 51 ist mit einem ersten Ausgang 57 an den Umkehreingang 62 und mit einem zweiten Ausgang 58 an den Direkteingang 63 eines Vergleichers 6l angeschaltet. Der Ausgang 68 des Vergleichers 61 ist an den D-Eingang einer Tastschaltung 69, die wiederum ein herkömmliches Flipflop ist, angeschlossen. Der C-Eingang des Flipflops 69 ist an einen geeigneten Taktgeber angeschlos-

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Der Q--Ausgang des Flipflops 69 ist an eine Gegenkopplungsschaltung 74 angeschlossen, die eine zweistufige Integrierschaltung mit verhältnismäßig kurzen Zeitkonstanten ist. Die Gegenkopplungsschaltung 74 enthält in ihrer ersten Stufe zwei in Reihe geschaltete Widerstände 75 und 76, deren Yerfcindungspunkt 77 über einen Kondensator 7 3 an Masse liegt. Die --weite Integrationsstufe der Gegenkopplungsschaltung /4 enthält einen Widerstand 76, der mit einem an den Umkehreingang des Verstärkers £i angeschlossenen widerstand 79 verbunden ist, Der Yerbindungspunkt Sl der Widerstände 76 und ist an einen Kondensator 5:2 angeschlossen, der über¹ einen kleinen Widerstand 83 an Masse liegt. Wie bei den au—"^ror beschriebenen Schaltungsanordnunaren ist der Ausgang 75 des Jleltamodulators an den 0-Ausgang des Flipflops 09 angeschalfcex;5 in jedem Fall kann man jedoch das Ausgangssif:nal auch am ■'■-.-».us.gang der Tastschaltung abnehmen, wenn Polaritäcsumkehr gewünscht ist.

Der Deltamodulator SO enthält weiter eine Vorspann-Rückkopplungsschaltung 91 mit einer Integrierschaltung mit verhältnismäßig· langer Zeitkonstante. !-Jie iViickkopplungsschaltung Ql enthält einen Widerstand Q2_} der in A'eine mit einem Widerstand 03 zwischen den 0-Ausgang des Flipflops 59 'ind den -Direkteingang S3 des Verstärkers SI geschaltet ist. Der Verbindungspunkt 94 der Widerstände 92 und 93 ist an einen Kondensator 95 angeschlossen, der über einen sehr kleinen Widerstand 96 an Masse liegt, Parallel zum Widerstand 92 liegt die Reihenschaltung eines Widerstands 97 und einer Diode

Die Arbeitsweise des Deltamodulators 50 ist im Prinzip die gleiche wie die des Deltaaiodulators 30, Im Deltamodulator SO umfaßt der Vergleicherverstärker sowohl den hochverstärkenden Verstärker 51 als auch den Vergleicher öl» Die beiden Schaltungsstufen sind vorgesehen, um eine höhere Gesamtverstärkung zu erzielen. Die als Gegenkopplungsschaltung verwendete zweistufige Integrierschaltung 74 ergibt einen weiteren dynamischen Bereich als die einfachere Schaltungsausführung nach Figur 2.

Nachstehend sind lediglich beispielsweise spezielle Bemessungs-

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werte und anderweitige Kenngrößen für die Schaltungselemente des erfindungsgemäßen Deltamodulators angegeben.

Widerstände

54	22 Kiloohm	56	0,47 Mikrofarad	CA 3001	Andere Kenngrößen
75, 76	I5O Kiloohm	78	0,15 Mikrofarad	ua 710
79, 93	8,2 Kiloohm	82	0,015 Mikrofarad	SN 7474
83	100 Ohm	95	100 Mikrofarad	In 4148
92	3,3 Kiloohm	Halbleiterbauelemente
96	1,0 Ohm	Verstärker 51
97	10 Kiloohm	Vergleicher 6l
Kondensatoren	Flipflop 69
Diode 98

Taktfrequenz Hz

Audioeingangsbereich Hz bis KHz

Dynamischer Eingangsbereich 0 bis 10 Volt

Der erfindungsgemäße Deltamodulator nach Figur 2 und 3 ist außerordentlich gut für Präzisionsanwendungszwecke, darunter die Audiosignalbehandlung, geeignet. Er kann über einen weiten dynamischen Arbeitsbereich und über einen breiten Frequenzbereich betrieben werden, wobei nur ein minimaler Rauschanteil von verhältnismäßig gleichmäßiger Beschaffenheit in die die Ausgangsgrößen des Modulators bildenden Digitalsignale eingeführt wird. Ziemlich

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große Änderungen, die sich durch Alterung von Schaltungselementen oder Temperaturschwankungen sowie anderweitige Umgebungseinflüsse ergeben; können ohne Verschlechterung des Leistungsvermögens in Kauf genommen werden. Trotzdem ist der Modulator einfach und billig in der Herstellung.

Vorstehend ist somit ein Deltamodulator für die Analog- Digital -Wandlung beschrieben, der einen hochverstärkenden Vergleicherverstärker enthält, der an den Eingang einer taktgesteuerten Tastschaltung mit einem Flipflop angeschlossen ist. Dem Eingang des Vergleicherverstärkers wird ein Audiosignal zugeleitet, und eine Integrierschaltung mit kurzer Zeitkonstante erzeugt aus dem Ausgangssignal des Flipflops eine Entsprechung des Audiosignals und leitet sie dem Vergleicherverstärker gegensinnig zum ursprünglichen Audiosignal zu. Ein veränderliches Gleichstrom-Bezugssignal für die automatische Vorspannung wird vom Flipflopausgang abgenommen und dem anderen Eingang des Vergleicherverstärkers zugeleitet. Die Vorspannschaltung überträgt außerdem ein Wechselstrom-Gegenkopplungssignal von begrenzter Amplitude, das asymmetrisch in seiner Polarität ist, wodurch ein breitbandiges statistisches Rauschen von begrenzter Amplitude in das demodulierte Ausgangssignal für den Leerlauf- oder Blindzustand (kein oder ein sehr kleines Eingangssignal) eingeführt wird.

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Claims (8)

P at e nt a n. s ρ rüche

1. Deltamodulator für die Audiosignalbehaiidlung, der im demodulierten Modulatorausgangssignal ein subjektiv erträgliches statistisches Blindrauschen hervorruft, mit einem lioehverstärkenden Vergleicherverstärker mit zwei Eingängen, dessen einem ein ursprüngliches Analogsignal zugeführt- wird; mit einer Tastschaltung mit einem Flipflop mit an den Ausgang des Yergleiclierverstärkers angeschlossenem Haupteingang, Tasteingang und zwei Ausgängen, deren einer den Modulatorausgang bildet? mit eines? Taktgeber,, der durch Beaufschlagen des Tasteingangs der Tastschaltung :aiö einem hochfrequenten Taktsignal die Tastschaltung unter 3rseugung zveier Aus-Rangsimpulssignale von entgegengesetzter- Polarität aa ihren Ausgängen zwischen zwei wechselnden Betriebszuständesi schaltet; und mit einer zwischen den einen Ausgang der Tastschaltung: und den einen Eingang des Vergleicherverstärkers gescaalteten Integrations-Gegenkopplungsschaltuns mit kurzer Zeitkonstsnte, die durch Integrieren eines der AusgangsimpulssignaXe de;* Tastschaltung· ein dem ursprünglichen entsprechendes Analogsignal svsi^^o und dem Vergleicherverstärker gegerisirmig zum ursprüngliches! analogsignal zuleitet, dadurch g-ekeiinssichae-c^ daß zwischen einen (O)der Ausgänge eier Tastschaltung (19J 69) und den anderen Hingang (13; 53) des Yergleichervsrstärkers (11; 51j 61) , eine Vorspann-Rückkopplungsschaitungc (511 "Ij "iii einer Xntegrierschaltung mit langer Zeitkonstante geschaltet isb₅ die einen Bezugspegel für die automatische Vorspannung des "/ergleicherverstärkers herstellt und außerdem ein Wechsels^rom-Gegenkopplungssignal von begrenzter Amplitude überträgt, derart, daS ia das Modulatorausgangssignal ein begrenzter breitbandiger Saiisshanteil eingeführt wird.

2. Deltamodulator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann-Rückkopplungsschaltung (31; 91) ein nichtlineares Impedanzelement (38; 98) enthält, das eine statistische Blindcharakteristik im Arbeiten des Modulators herstellt.

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3. Deltamodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung (24 J 74) auf den einen Eingang (12; 52)" und die Vorspann-Rückkopplungsschaltung (31J 91) auf den anderen Eingang (13; 53) des Vergleicherverstärkers (11 j 51j 6l) rückgekoppelt ist.

4. Deltamodualtor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicherverstärker einen hochverstärkenden Verstärker (51) in integrierter Bauweise und einen nachgeschalteten Vergleicher (6l) in integrierter Bauweise enthält.

5- Deltamodulator nach einem der Ansprüche 2 bis 4» · dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann-Rückkopplungsschaltung zwei parallelgeschaltete lineare Impedanzelemente (32, 37l 92, 97) und als nichtlineares Impedanzelement (38;98) ein in Reihe mit dem einen linearen Impedanzelement (37; 97) liegen des Einweg-Leiterelement enthält.

6. Deltamodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Einweg-Leiterelement eine Diode ist und die linearen Impedanzelemente ohmsche Widerstände sind.

7.Deltamodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann-Rückkopplungsschaltung einen Längswiderstand"(33; 93) und eine Ouerkapazität (35} 95) in Reihe mit einem sehr kleinen Widerstand (36; 96) enthält.

8. Deltamodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltμng zur Erweiterung des dynamischen Bereiches zwei hintereinandergeschaltete Integratorstufen enthält (Figur 3).

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