DE2339495C3 - Deltamodulator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Deltamodulator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Die Deltamodulation in ihrer einfachsten Form ist eine bekannte Methode der Umsetzung von Analogin Digitalsignale, wobei durch Demodulation des Digitalsignals eine treppenförmige Approximation 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 eir. sehr schwachpegeliges Eingangssignal empfängt. Dieses Rauschen oder Störgeräusch ist als Blindrauschen oder Schwellenrauschen bekannt.

In einem Deltamodulator wird das Digitalsigna) dadurch gebildet, daß die Polarität der Differenz zwischen dem analogen Eingangssignal und einem demodulierlen 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 Vergleicher· ausgangssignals und einem Integrator zum Decodieren oder Demodulieren des digitalen Ausgangssignals der Tastschaltung. Der Vergleicher vergleich! das ursprüngliche Analogsignal mit dem aus dem digitalen Ausgangssignal und vom Integrator erhaltenen demodulierten Signal. Die Polarität des Vergleicherausgangssignals wird von der Tastschaltung in festen Taktintervallen getastet, and es werden Digitalgrößen von einer die Differenz zwischen dem Analogsignal und dem decodierten Signal veringernden 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 Mittelpunkt 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 Blindi auschens und sein Frequcnzgehalt sind veränderlich, wobei minimale und maximale Rauschpegel in Abhängigkeit von Änderungen des Ausmaßes der Unsymmetrie der Schaltung auftreten.

Bei einem genau symmetrierten Dehamodulaior tritt kein Blindrauschen auf. Jedoch ist eine genaue und präzise Symmetrierung schwierig zu erreichen. Ferner ergibt rieh nach einem gewissen Zeitraum infolge von Alterung eier Schaltungselemente nahezu

unvermeidbar eine merkliche Unsymmetrie und Aus der DT-OS 21 19 000 ist ein Deltamodulator folglich ein gewisses Rauschen. Der gleiche Effekt er- bekannt, der einen Rückkopplungskreis aufweist, in gibt sich häufig aus Symmetrieabweichungen auf dem eine Integrierschaltung liegt. Der Rückkopp-Grund von Temperaturänderungen und anderweitigen lungskreis ist dazu vorgesehen, ein Bezugssignal in Umgebungseinflüssen. 5 Form einer Gleichspannung mit begrenzten Schwan-Ferner ist die Ansprechung eines vollkommen kungen an den einen Eingang des Differenzerzeusymmetrierten Deltamodulators auf kleine Eingangs- gers 4 zu legen, so daß insbesondere bei Auftreten signale für viele Audiosysteme noch unbefriedigend. niederpegliger Analog-Eingangssignale das Stör-Ein Eingangssignal, dessen Amplitude gerade aus- rauschen beim Ausgangssignal nicht größer wird bzw. reicht, um das perfekte Blindspektrum des genau sym- io die Wiedergabegüte bei niederpegligen Signalen mögmetrierten Modulators zu durchbrechen, ruft im Aus- liehst erhalten bleibt. Die bekannte Maßnahme hat gangssignal Störstöße hervor, Jie in starker wechsel- also zur Aufgabe, lediglich den Rauschpegel bei Aufseitiger Beziehung zum Eingangssignal stehen. Dies treten niederpegliger Analog-Eingangssignale niedrig hat den subjektiven Eindruck eines störenden harten zu halten.

Rauschens zur Folge, das jeweils »hinter dem Signal« 15 Neben der Forderung, den Rauschpegel möglichst auftritt. Andererseits kann man erreichen, daß ein niedrig zu halten, ist es aus physiologischen Gründen Deltamodulator, der ganz geringfügig unsymmetrie« weiterhin wünschenswert, daß der Rauschpegel mögist, mit einem niedrigen Stör- oder Rauschpegel arbei- liehst gleichmäßig, d. h. möglichst statistisch über ein tet, der nicht nennenswert ansteigt oder sich im möglichst breites Frequenzband verteilt ist, da iso-Klangcharakter ändert, wenn die Eingangssignal- 20 üerte Töne oder bestimmte Rauschsignalformen, die amplitude nahe dem Nullpegcl ansteigt oder ab- zu Zwitschergeräuschen führen können, subjektiv fällt. Es ist daher besonders bei Audiosystemen wün- störend sind.

sehenswert, daß der Deltamodulator mit einem Eb ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Rauschpegel arbeitet, der ziemlich klein un.i verhält- einen Deltamodulator zu schaffen, der ein schwaches nismäßig gleichmäßig über ein breites Frequenzband 25 Blindrauschen aufweist, das darüber hinaus statistiverteilt ist, statt das isolierte Töne oder Zwitscher- scher, zufälliger Natur ist, so daß das Blindrauschen gcräusche, die subjektiv störend sind, auftreten. beim Hörer auch subjektiv weniger stört. Darüber Es wurde bereits vorgeschlagen, eine Niederpegel- hinaus soll das Rauschverhalten, das insbesondere Breitband-Rauschcharakteristik im Betrieb eines während des Übergangs von einem Null-Signal zu Deltamodulators dadurch zu erzielen, daß man zum 30 einem Signal mit merklicher Amplitude kritisch ist, Modulatoreingangssignal absichtlich eine kleine Korn- möglichst stetig und stoßfrei sein,
ponente an »weißem Rauschen« hinzufügt. Dies be- Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenwirkt eine konstante Anregung des Modulators und den Teil des neuen Anspruchs angegebenen Merkverhindert die Ausbildung eines festen Blindspek- mal gelöst. Dem Vergleichsverstärker wird ein in trums und kann außerdem einen glatten nieder- 35 seiner Amplitude begrenztes Gegenkopplungssignal mit sich bringen. Jedoch steigt das Gesamtrauschen in Form einer bewußt herbeigeführten Wechselspandes Systems häufig unerwünscht stark an. Ein ahn- nung zugeführt, wobei eine statistische, d. h. zufällige licher Lösungsvorschlag geht dahin, daß man dem Blindrausch-Charakteristik durch ein nichtlineares Modulatoreingangssignal ein »Aufschaukel«-Signal Impedanzelement bewirkt wird. Auf diese Weise ereiner einzigen Frequenz zugibt, das gewünschtenfalls 40 hält man bei Auftreten niederpegliger Analog-Einaus dem endgültigen Ausgangssignal wieder heraus- gangssignale zusätzlich zu einem kleinen Rauschgefiltert werden kann. Diese Methode, ebenso wie die pegel ein verhältnismäßig gleichmäßiges und breitbander Anwendung einer hinzugefügten Rauschkompo- diges Rausch-Frequenzband, das auf Grund physionente, bringt eine Erhöhung der Kosten und des logischer Gegebenheiten des menschlichen Ohres we-Schaltungsaufwandes für den Modulator mit sich 45 sentlich weniger störend wirkt.

und kann außerdem ein unerwünscht starkes An- Der erfindungsgemäße Deltamodulator arbeitet mit steigen des Rauschpegels zur Folge haben. einem schwachen Blindrauschen, das statistischer Ein dritter Lösungsvorschlag geht dahin, daß man Natur und subjektiv weniger störend ist als bei Anden Deltamodulator absichtlich in einem solchen Ordnungen gemäß dem Stand der Technik. Es wird Ausmaß unsymmetriert, daß sich ein Blindspektrum 50 ein stetiges oder stoßfreies Rauschverhalten während mit verhältnismäßig niedriger Rauschamplitude im des Übergangs zwischen nicht vorhandenem und an-Ton- oder Audiofrequenzbereich ergibt. Diese an sich wescndem Eingangssignal erzielt,
zwar brauchbare Methode erfordert aber eine sorg- Insbesondere kann der Deltamodulator Audiofältige Einstellung der Rückkopplungsschaltung., da- signale über einen weiten dynamischen Bereich wirkmit die nötige geringfügige Unsymmetrie erreicht, und 55 sam verarbeiten, und zwar unter Einführung eines nur es ergeben sich die gleichen Schwierigkeiten hin- minimalen Rauschgehalts in das Audiosignal, wobei sichtlich der Abwanderung der eingestellten Werte der Rauschpegel im Zuge der Bewerkstelligung eines infolge von Alterung von Schaltungselemente!! oder stoßfreien Arbeitens bei niedrigen Eingangssignalinfolge von Temperaturschwankungen wie bei einem pegeln nicht ansteigt und auch die Neigung zum genau symmetrierten Modulator. Eine ähnliche Me- 60 Übersteuern sich nicht erhöht.

thode ist in der USA-Patentschrift 28 17 061 beschrie- Weiter arbeitet der für die Audiosignalbehandlung ben, wo die Integrator-Rückkopplungsschleife so aus- geeignete Deltamodulator mit einem verhältnismäßig gebildet ist, daß sich eine Ansprechung ergibt, die für konstanten niedrigen Rauschpegel über einen erhebnegativ gerichtete Impulse anders als für positiv ge- liehen Frequenzbereich und gewährleistet einen im richtete Impulse ist. Diese asymmetrische Anordnung 65 wesentlichen gleichmäßigen und stabilen Betrieb über neigt jedoch zu einer asymmetrischen Über- lange Zeiträume mit nur wenig oder gar keiner Absteuerungscharakteristik, wodurch der dynamische weichung auch bei erheblichen Temperaturschwan-Bereich des Deltaniodulators eingeschränkt wird. kungen und Änderungen anderer Umwelteinflüsse.

Der Deltamodulator ist dabei einfach aufgebaut und billig herzustellen und hat dennoch eine verbesserte Leistungsfähigkeit gegenüber bekannten Schaltungsanordnungen.

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

Fig. 1 das Schaltschema eines herkömmlichen Deltamodulators,

F i g. 2 das Schaltschema einer einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Deliamodulators und

F i g. 3 das Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dcltamodulators.

Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Deltamodulator 10 mit einem hochverstärkenden Vergleichcrvcrstärkerll mit Umkehreingang 12 und Direkteingang 13. Vom Eingang 15 des Deltamodulators 10 ist über einen Längswiderstand 14 dem Umkehreingang 12 des Vergleicherverstärkcrs 11 ein ursprüngliches Analogsignal zuführbar. An den anderen Eingang 13 des Vergleichervcrstärkers 11 isl eine Bezugsschaitung angeschlossen, die in der einfachen Ausführungsform nach Fig. 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 Vergleichervcrstärkers 11 ist an den Haupteingang D eines Flipflops 19 angeschlossen, das als Tastschaltung arbeitel, 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 Q-Ausgang des Flipflops an eine Integrations-Gegenkopplungsschaltung 24 mit dor Reihenschaltung zweier Widerstände 25 und 26, von denen der Widerstand 26 auf den Umkehreingang 13 des Vergleicherverstärkers 11 zurückgeschaltet ist, angeschlossen. Die Gcgcnkopplungsschaltungs 24 hat eine kurze Zcitkonstantc. 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 Bezugsschaltung 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 hochamplituden 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 ^-Aus gang überträgt. Somit wird das Ausgangssignal am Q-Ausgang hoch, so daß sich dit Ladung des Kondensator 28 erhöht.

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

ίο Auf diese Weise wird ein »blinder« Gleichgewichtszustand erreicht, wenn die mittlere Spannung am Kondensator 28 gleich der dem Verglcichereingang 13 von der Bezugsschaltung 16, 17 zugeleiteten Bezugsspannung ist. Im Gleichgewichtszustand sdialtet 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 mn der halben Frequenz des Taktsignals 21 erzeugt wird. Bei diesem Leerlauf- oder Blindbetiieb 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 Verglcichcrverstärkcr 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 Integralions-Gegcnkopplungsschaltung 24 erzeugt ein entsprechendes Analogsignal, das kontinuierlich dem Vcrgleichereingang 12 zugeleitet wird, und zwar gegensinnig zum Eingangssignal, so daß sich eine negative Rückkopplung oder eine Gegenkopplung ergibt.

Für eine eingehendere Betrachtung des Gleichgewichts- oder Blindzustandes kann wiederum angenommcn werden, daß am Eingang 15 kein Analogsignal ansteht. In diesem Fall ist klar, daß, wenn nicht die dem Verglcichercingang 13 zugeleitete Bezugsspannung genau gleich dem mittleren Gleichspannungswert der am Ausgang 23 erzeugten digitalen Rechtcckschwingunc ist. sich zufällige Abweichungen vom vollkommenen Blindzustand ergeben müssen. Wenn beispielsweise die Spitzc-Spitzc-Amplitude des digitalen Ausgangssignals von 0 bis f 1 Volt reicht. so daß der Mittelwert für den perfekten Blind- oder Leerlaufzustand 0,5 Volt beträgt, und wenn die Bezugsspannung 0,6 Volt beträgt, so müssen gelegentliche Impulse von - 1 Volt die Impulse von ϋ Volt im Ausgangssignal ersetzen, damit sich die zusätzliche Aufladung des Kondensators 28 um 0,1 Volt ergibt. Das heißt, der Impulsvcrlauf für das digitale Ausgangssignal muß vom perfekten Verlauf abweichen, damit der Kondensator 28 eine mittlere La dung von 0,6 Volt statt von 0,5 Volt erhält.

Als Folge dieser Abweichung treten im digitalen Verlauf des Ausgangssignals am Ausgang 23 Frequenzen auf, die niedriger sind al* die genaue Leerlauffrequer.z von der Hälfte der Frequenz des Takt signals 21. Im allgemeinen treten im Tonbereich stets gewisse Frequenzschwankungen auf. Diese ergeben das Leerlauf- oder Blindrauschen des herkömmlichen Deltamodulalors. Die Amplitude des Audiorauschen? und sein Frcqucnzmhalt ändern sich oder schwanker in einer solchen Weise, daß Maxima und Minima irr

Audiorausclipcgcl auftreten, wenn das Ausmaß der Unsymmetrie des Deltamodulators sich ändert. Die Schwierigkeiten und Probleme, die sich hinsichtlich der Minimalisierung des Blindniuschens und der dazugehörigen Übergangsstörungen beim Übergang vom signalfreien zum signalbeaufschlaglcn Zustand des Eingangs 15 ergeben, wurden bereits ausführlich erläutert.

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Dcltamodulatorio, bei dem die Bezugsschaltung des Modulators so abgewandelt ist, daß sich ein gleichmäßig niedriger Rauschanteil im Ausgangssignal sowohl im signalfrcicn (Leerlauf- oder Blind-) als auch im signalbeaufschlagtcn Zustand ergibt und daß auch der Übergang vom signalfrcien zum signalbcaufschlagten Zustand stetig oder stoßfrei erfolgt. Der Deltamodulator 30 enthält den hochverstärkenden Verglcichcrverstärker 11. der mit seinem Umkehrcingang 12 über einen Widerstand 14 an den Eingang 15 angeschlossen ist. Der Ausgang 18 des Vcrgleicherverstärkcrs 11 ist an den D-Eingang einer Tastschaltung angeschlossen, die wiederum ein herkömmliches taktgestcuertes Flipflop 19 enthält. Dem Takteingang Γ des Flipflops 19 wird vom Taktgeber 22 das Taktsignal 21 zugeleitet.

Wie der Deltamodulator 10 nach F i g. 1 enthält der Dcltamodulator30 eine Intcgrations-Gcgcnkopplungsschaltung 24 mit kurzer Zeitkonstante, die vom Q-Ausgang des Flipfiops 19 auf den Umkehreingang 12 des Vcrglcichervcrstärkcrs 11 zurückgeschaltet ist. Die Gegcnkopplungsschaltung 24 besteht aus der Reihenschaltung zweier Widerstände 25 und 26. deren Verbindungspunkt 27 über den Speicherkondensator 28 an Masse liegt. Der (^-Ausgang des Flipflops 19 ist außerdem an den Ausgang 23 angeschlossen, der den Ausgang des Deltainodulators 30 bildet.

Die Bezugsschaltung für den Deltamodulator 30 enthält eine Vorspann-Rückkopplungsschaltung 31, die eine Inlegricrschaltung mit wesentlich längerer Zeitkonstante als die Gegcnkopplungsschaltung 24 ist. Die Rückkopplungsschaltung 31 ist vom (3-Ausgang des Flipflops 19 auf den Direkteingang 13 des Vcrgleichcrverstärkers 11 zurückgeschaltet. Sie enthälf einen Widerstand 32 in Reihe mit einem Potentiometer 33. Der Verbindungspunkt 34 zwischen dem Widerstand 32 und dem Potentiometer 33 ist an einen Speichcrkondensaior35 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 statt dessen auch andere Einwegleiterelemente verwenden.

Für die Erläuterung der Wirkungsweise des Deltamodulators 30 nach Fig. 2 soll zunächst angenommen werden, daß der Widerstand 37 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 0-Ausgang des Flipflops 19 ergeben. Etwaige Spannungsabweichungen, die im Vergleichsverstärkcr 11 oder im Flipflop 19 erzeugt werden, werden durch die Rückkopplungsschaltung 31 effektiv ausgemittclt. 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 Blindspanuung 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 StörcfTekte beseitigt werden, die vom Modulatoi 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 Widerstand 32 den Vergleichereingang 13 über die durch die Rückkopplungsschaltung 31 gebildete Rückkopplungsschleifc 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 auf Grund der Anwesenheit des Widerstands 36 erhält der Deltamodulator 30 ein sehr viel statistischeres Blindrauschspektrum über einen größeren Unsymmetrie- oder Verslimmungsbcreieh, 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 Zustand 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 Rückkopplungsschallung 31 für positiv gerichtete Impulse etwas niedriger ist als für negativ gerichtete Impulse. Folglich ist die Lade- und Entladecharakteristik des Kondensators 35 asymmetrisch. Diese nichtlincare Charakteristik führt in die Arbeitsweise des Deltamodulators eine weitere statistische Größe ein, die ausschließt, daß sich ein festes Blindrausch spektrum einstellt. Die resultierende kombinierte Wirkungsweise auf der Grundlage einer vom Q-Ausgang des Flipflops 19 abgeleiteten automatischen Vorspannung für den Selbstabgleich des Modulators in Verbindung mit einer kleinen nichtlinearen Wechsel strom-Gegenkopplungsspannung im Vorspannkreis sorgt für einen verläßlichen rauscharmen Leerlaufoder Blindbetrieb mit stoßfreiem Übergang vom signalfreien zum signalbeaufschlagten Zustand. Ferner kann der Rauschanteil des Ausgangssignals am Ausgang 23 über einen weiten Frequenzbereich und über einen breiten Bereich von Eingangsspannungen auf einem niedrigen Pegel gehalten werden.

F i g. 3 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit einem Deltamodulator 50, bei dem die in F i g. 2 veranschaulichten Prinzipien in einer etwas komplizierteren Schaltung mit verbessertem dynamischen Bereich verwirklicht sind. Der Dcltamodulator 50 enthält einen hochverstärken-

609 640'2Ol

ίο

den Verstärker 51 mit Umkehreingang 52 und Direkteingang 53. Der Eingangskreis des Deltamodulators enthält einen Widerstand 54, der in Reihe mit einem Koppelkondensator 56 /wischen 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 61 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 angeschlossen.

Der 0-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 Verbindungspunkt 77 über einen Kondensator 78 an Masse liegt. Die zweite Integrationsstufe der Gegenkopplungssrhaltung 74 enthält einen Widerstand 76, der mit einem an den Umkehreingang des Verstärkers 51 angeschlossenen Widerstand 79 verbunden ist. Der Verbindungspunkt 81 der Widerstände 76 und 79 ist an einen Kondensator 82 angeschlossen, der über einen kleinen Widerstandes an Masse liegt. Wie bei den zuvor beschriebenen Schaltungsanordnungen ist der Ausgang 73 des Deltamodulators an den (7-Ausgang des Flipflops 69 angeschaltet; in jedem Fall kann man jedoch das Ausgangssignal auch am ^-Ausgang der Tastschaltung abnehmen, wenn Polaritätsumkehr gewünscht ist.

Der Deltamodulator 50 enthält weiter eine Vorspann-Rückkopplungsschaltung 91 mit einer Tntegrierschaltung mit verhältnismäßig langer Zeitkonstante. Die Rückkopplungsschaltung 91 enthält einen Widerstand 92, der in Reihe mit einem Widerstand 93 zwischen den (^-Ausgang des Flipflops 69 und den Direkteingang 53 des Verstärkers 51 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 92 und einer Diode 98.

Die Arbeitsweise des Deltamodulators 50 ist im Prinzip die gleiche wie die des Deltamodulators 30. Im Deltamodulator 50 umfaßt der Vergleicherverstärker sowohl den hochverstärkenden Verstärker 51 als auch den Vergleicher 61. 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 F i g. 2.

Nachstehend sind lediglich beispielsweise spezielle Bemessungswerte und anderweitige Kenngrößen für die Schaltungselemente des erfindungsgemäßen Delta modulators angegeben.

Widerstände

54 22 Kiloohm

75,76 1,0 Kiloohm

79,93 8,2 Kiloohm

83 100 Ohm

35

40

45

60 (noch Widerstände)

92 3,3 Kiloohm

96 1,0 0hm

97 10 Kiloohm

Kodensatoren

56 0,47 Mikrofarad

78 0,15 Mikrofarad

82 0,015 Mikrofarad

95 100 Mikrofarad

Halbleiterbauelemente

Verstärker 51 CA 3001

Vergleicher 61 ua 710

Flipflop 69 SN 7474

Diode 98 In 4148

Andere Kenngrößen

Taktfrequenz Hz

Audioeir.gangsbereich ... Hz bis KHz Dynamischer

Eingangsbereich 0 bis 10 Volt

Der erfindungsgemäße Deltamodulator nach F i g. 2 und 3 ist außerordentlich gut für Präzisionsanwendungszwecke, darunter die Audiosignalbehandlung, aeeignet. 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 Digitaisignale eingeführt wird. Ziemlich große Änderungen, die sich durch Alterung von Schalungselementen 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 Integrierschalrung 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Deltamodulator für die Audiosignalbehandlung mit einem hochverstärkenden Vergleicherverstärker mit zwei Eingängen, dessen einem ein ursprüngliches Analogsignal zugeführt wird; mit einer Tastschaltung mit einem Flip-Flop 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 schaltet; und mit einer zwischen den einen Ausgang der Tastschaltung und den einen Eingang des Vergleicherverstärkers geschalteten Integrations-Gegenkopplungsschaltung mit Kurzer Zeitkonstante, die durch Integrieren eine·; der Ausgangsimpulssignale der Tastschaltung ein dem ursprünglichen entsprechendes Analogsignal erzeugt und dem Vergleicherverstärker gegensinnig zum ursprünglichen Analogsignal zuleitet, wobei zwischen einem der Ausgänge der Tastschaltung und dem anderen Eingang des Vergleicherverstärkers eine Vorspann-Rückkopplungsschaltung mit einer Integrierschaltung mit langer Zeitkonstante geschaltet ist, die einen Bezugspegel für die automatische Vorspannung des Vergleicherverst; rkers herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann-Rückkopplungsschaltung (31 91)35 zur Einführung eines begrenzten breitrandigen Rauschanteils in das Modulatorausgangssignal ein Wechselstrom-Gegenkopplungssignal begrenzter Amplitude überträgt und ein nichtlineares Impedanz-Element zur Erzeugung einer statistischen Blindcharaktenstik bei der Arbeitsweise des Modulators aufweist.

2. Deltamodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicherverstärker einen hochverstärkenden Verstärker (51) in integrierter Bauweise und einen nachgescha teten Vergleicher (61) in integrierter Bauweise enthält.

3. Deltamodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann-Rückl opplungsschaltung (31, 91) zwei parallelgesch iltete lineare Impedanzelemente (32,37; 92,97) urd als nichtlineares Impedanzelement ein in Reihi: mit dem einen linearen Impedanzelement (37; 97) liegendes Einweg-Leiterelement (38; 98) enthält.

4. Deltamodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einweg-Leiterelement (38, 98) eine Diode ist und die linearen Impcdanzelemente ohmsche Widerstände sind.

5. Deltamodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann-Rückkopplungsschaltunj (31; 91) einen Längswiderstand (32, 37; 92, 97) und eine Querkapazität (35; 95) in Reihe mit einem sehr kleinen Widerstand (36; 96) enthält.

6. Deltamodulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenkopplungsschaltung (74) zur Erweiterung des dynamischen Bereiches zwei hin-

tereinandergeschaltete Integratorstufen (75, 78 und 76, 82, 83) enthält (F i g. 3).