DE3237551A1 - Modulator zur umsetzung eines analogen eingangssignals in ein pulsdichtemoduliertes ausgangssignal - Google Patents

Description

E.H.Lambourn 14

Modulator zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals in ein puLsdichtemoduliertes Ausgangssignal

Die Erfindung betrifft einen Modulator zur Umsetzung eines analogen EingangssignaLs in ein puLsdichtemodu I iertes Ausgangssignal.

Ein derartiger Modulator ist bekannt aus der DE-OS 27 13 443,

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen anderen Modulator der gleichen Gattung anzugeben.

Die Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Analog-Digital-Wand-

lers, der zunächst eine Pulsdichtemodulation des Analogsignals vornimmt,

Fig. 2a einen aus der US-PS 3 955 191 übernommenen Teil

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eines Modulators zur Umsetzung eines analogen Signals in ein pu I sdichtemoduIiertes Signal,

Fig.2b eine Abwandlung der Fig. 2a,

Fig. 3a eine RC-IntegrationsschaLtang und eine äquivalente Schaltung mit gesehaIteten Kondensatoren,

Fig. 3b die Schaltfolie für die Anordnung der geschal" teten Kondensatoren nach Fig*'3a,

Fig. 4 ein T-förraiges RC-Glied als IntegratorschaLtung und die dazu äquivalente Schaltung mit geschalteten Kondensatoren,

Fig. 5 einen Pulsdichtemodulator (Digitaler Decodierer), der aus den Figuren 2a und 2b abgeleitet ist,

Fig. 6 einen Pulsdichtemodulator (Digitaler Decodierer),

wie er in einer parallel laufenden Patentan-_1S meldung (E.H.Lambourn-33) gezeigt ist,

Fig. 7 einen Pulsdichtemodulator (Analog-Digital-Wandler) mit geschalteten Kondensatoren entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und die dazugehörige Schaltfolge,

2Q Fig. 8 eine vereinfachte Version der Anordnung nach

Fig. 7 und

Fig. 9 eine weitere vereinfachte Version der Anordnung

nach Fig. 7.

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BÄD OBlGiNAL

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Die US-PS 3 955 191 betrifft einen Analog-Digital-Wandler mit einem Modulator, der ein analoges Eingangssignal in
ein digital puIsdichtemoduIiertes Ausgangssignal mit den
gleichen Eigenschaften umsetzt.

In Fig. 1a wird ein analoges Signal in einen Pulsdichtemodulator 1 für Analogsignale eingegeben, und der mit
einer Taktfrequenz f betriebene Modulator liefert an seinem Ausgang einen binären Datenstrom vom Sigma-DeIta-Typ, der mit der Taktfrequenz moduliert ist. Dieses Ausgangssignal wird einem Umwand Iungsfi11er in Form eines digitalen Filters - ;, 2 zugeführt, das ebenfalls mit der Taktfrequenz f betrieben ' wird und am Ausgang linear codierte PCM-Wörter mit M Bits bei einer Zwischen-Abtastfrequenz f abgibt.

Fig. 2a zeigt einen Teil eines Pulsdichtemodulators für
Analogsignale, der aus Fig. 8 der genannten US-PS 3 955 übernommen ist. Er besteht aus einem Operationsverstärker A und einem Flipflop B sowie einem zusätzlichen Flipflop B' und einem gestrichelt dargestellten Weg, der eine mögliche RückkoppLungsschleife ist. Fig. 2b zeigt eine übliche Ab-Wandlung der Fig. 2a mit zwei Addierern 5 und 6, einem Multiplizierer 7 und einem Flipflop B", wobei die Werte von.
R1, R2, G1 und C2 nicht die gleichen wie in Fig. 8 der angegebenen US-PS 3 955 191 sind.

Wenn nun mit diskreten Zeitintervallen gearbeitet wird, so kann eine einfache RC-Integratorscha I tung (linke Seite in Fig. 3a) ersetzt werden durch zwei geschaltete Kondensatoren C1 und C2 mit Schaltern SWl und SW2, wobei die zugehörige Schaltfolge in Fig. 3b gezeigt ist.

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BAD ORIGINAL

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Wenn die Schalter SW1 und SW2 beide offen sind, so beträgt die Ladung des Kondensators C„ q„ und die des Kondensators Cp Q-, und V ist gleich V-. Wenn der Schalter SW1 offen und der Schalter SW2 geschlossen ist, ist die Ladung des Kondensators C, gleich q,, wogegen die des Kondensators Cp gleich Qp ist, und V ist gleich V_?, Wenn SWl geschlossen und SW2 offen ist, ist q_ gleich E · C-. Wenn nun SW1 geöffnet und SW2 geschlossen wird, ist:

Q₀■= (E-C₁ + Q₁) C₅Z(C₁.+ C₉), und ^V2 ^Q2 ^C2'

Somit IStQ₂ = Q₁-C₂Z(C₁ + C₂) + q₂-C₂ CC₁ + C₂) Q₂ = Q₁-C₂Z(C₁ + C₂) + E-C₂₁C₁ZCC₁ + C₂) Q₂ = Q₁-K + E.C₂-(I-K) U)

wobei K = C₂Z(C₁ + C₂), Cl-K) = C₁ZCC₁ + C_g)

und C₂ = C₁. KZ(I-K)

Außerdem V₂ = Q₃ZC₃ = Q₁₉KZC₃ + E (1-K) ist:

V₃ - V₁-K + E (1-K) (2)

Für die einfache RC-Schaltung (linke Seite in-Fig. 3a) gilt

jedoch: _φ/γ·ρ -φ/ρρ

'2 ^X 1' ■ +^-Mt. J

V_? = V, .K + E (1-K), (3)

BAD

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~ T / C R
wobei K = e und T die Periodendauer ist. Somit ist gezeigt, daß die Linke und rechte Seite der Fig. 3a äquivalent sind.

Fig. 4 zeigt eine äquivalente Schaltungsanordnung mit g e schalteten Kondensatoren (rechte Seite in Fig. 4) für eine RC-IntegratorschaItung in Form eines T-GLiedes (linke Seite in Fig. 4). In diesem Falle werden die gleichen Formeln verwendet, aber R ist gleich der Parallelschaltung von R₁ und R₂, K = C₂Z(C₁ + C₂ + C₃)

und CI-K) = (C₁ + C₃) / (C₁ + C₂ + C₃).

Daher ist V₂ ¹ = V^ " K + Ec*^ - (1-K) + P ■ c<₂ (1-K) (4)

Falls C=C, ist, äquivalent zur Gleichheit von R₁ und R_?, sind 0C₁ und (X. _ beide gleich 0.5. Die gleiche Betrachtungsweise kann auf eine beliebige Anzahl von Kondensatoren angewendet werden.

Um eine Ausführungsform des Pulsdichtemodulators (Analog-Digital-Wandler zu schaffen, wie er in der US-PS 3 955 191 angegeben und teilweise in Fig. 2a und alternativ dazu in Fig. 2b gezeigt ist, sollte es möglich sein, die RC-Integratorschaltungen direkt durch die äquivalenten Schaltungsanordnungen mit geschalteten Kondensatoren zu ersetzen. Dies ist aber nicht exakt richtig, da die bekannte Schaltung kontinuierlich arbeitet, wogegen die Schaltungen nach den Figuren 2a und 2b diskret arbeiten. Die richtige Methode beruht daher auf den abgeleiteten entsprechenden Formeln, die nachstehend aufgestellt werden und sich auf das Blockschaltbild nach Fig. 5 heziehen, das eine direkte digitale

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Version der Fig. 2 zeigt. Diese abgeleitet en entsprechenden Formeln und das digitale Blockschaltbild sind auch in der parallel Laufenden Patentanmeldung (E . H . I_ambourn-1 3) beschrieben, die einen Pulsdichtemodulator für digitale Signale (digitaler Decodierer) betrifft. Die in Fig. 5 gezeigte direkte digitale Version der Fig. 2b enthält Addierer 8, 9, und 10, ein X-bit-Speicherreg ister 11, ein Y-bit-Speieherregister 12, einen digitalen Vergleicher mit Schreib-Lese-Speieher 13 und sechs Multiplizierer 21 - 26 mit Konstanten K1 bis K6, deren Werte aus den entsprechenden nachstehend aufgestellten Simulationsformeln erhalten werden. Die Speicherregister 11 und 12 und der Vergleicher haben eine Verzögerungszeit von Z , d-. h. von einer Taktperiode T = 1/f . Der Vergleicher 13 liefert an einem Ausgang eine Zahl ±P , deren Vorzeichen davon abhängt, ob V3 am Anfang eines TaktimpuIses zum Zeitpunkt T, 2T, 3T usu. jeweils negativ oder positiv ist.

Die Ausdrücke V_Q1 und V_Q3 stehen für die in den Speicherregistern 11 und 12 gespeicherten und verzögerten Zahlen

und V.l und V-3 für die am Anfang eines Taktimpulses sich ergebenden Zahlen. Zu diesem Zeitpunkt nimmt der Vergleicher 13 entsprechend der Polarität von V..3 den logischen Wert 1 oder den logischen Wert 0 an, wobei er den Wert 0 annimmt, wenn V,3 positiv ist. Das Ausgangssignal ist daher ein binärer Datenstrom, der das digitale Eingangssignal als pulsdichtemoduliertes 1-bit-Signal darstellt, das durch ein einfaches nicht gezeigtes RC-Filter in ein Analogsignal demoduliert werden kann. Die auf Fig. 5 angewendeten abgeleiteten analogen Simulationsformeln sind die folgenden:

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NACHGEREICHT 12 -

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= V_Q3 · K2 + V_Q1-

und V.1 = V_Q1-K1 +

· <f(Ki-K2)/(1-R₂C₂/R₁ C₁ ) + P_Q (1-K2)

"^T/C1^R1 K2 = e~^T/C2^R2, J= P + E.

wobei KT = e^T/C1^R1, K2 = e^T/C2

Mit K =

gilt:

\l 3 = V_Q3- K2 + V_Q1- KCK1-K2) /j +/U-i/ (1-K2) - u - K -/(K1-K2)

+ P (12 Mit (K1-K2) = K4 ist

V^ = V_Q3-K2 + VqI- K-K4 fs + /j · f (1-K2-K2-K4) + P_Q (1-K2) Mit ^-Κ·Κ4 = K6, /JC1-K2-K2-K4) = K5, (1-K1) = K4 und (1-K2) = K3 gilt:

^Po"^K3

und V₁I = V_Q1 -K1 + J"k4.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung der Schaltung nach Fig. 5 ist die in Fig. 6 gezeigte, die im wesentlichen äquivalent zur Fig. 7 der parallel laufenden oben angegebenen Patentanmeldung ist. In dieser parallel laufenden Patentanmeldung wird diese Schaltung als ein digitaler Decodierer verwendet. A und B sind nichtrekursive Filter in diesem Beispiel, und wenn dem Ausgang der Schaltung beispielsweise ein einfaches RC-Filter zur Demodulation nachgeschaltet ist, so setzt die gesamte Anordnung digitale Signale in analoge Signale um. Die Grundschaltung ist jedoch ein Pulsdichtemodulator, der ebenso wie in einem Digital-Analog-Wand L er auch in einem Analog-Digital-Wandler verwendet werden kann, wenn A und B Integratoren sind.

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Fig. 7 ist eine zu Fig. 6 äquivalente Schaltung mit geschalteten Kondensatoren. Die Blöcke A und B von Fig. 7 sind den ebenso bezeichneten Blöcken von Fig. 6 äquivalent. Die Schaltung nach Fig. 7 ist also als Pulsdichtemodulator mit geschalteten Kondensatoren zur Verwendung in einem Analog-Digital-Wandler ausgelegt, d. h. in einem Modulator zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals in ein pulsdicht emoduIiertes Ausgangssignal.

Ein analoges Eingangssignal wird in einen Trennverstärker 23 eingegeben, der es mit einer BezugsgLeichspannung vergleicht. Das entstehende Ausgangssignal des Trennverstärkers wird entsprechend der gezeigten Schalt folge in die verschiedenen Bauteile der Integratoren A und B eingegeben. Im Grundprinzip wird ein Analogsignal in einen ersten Integrator A eingegeben, dessen Ausgang mit einem zweiten Integrator B verbunden ist, der als weiteres Eingangssignal einen Anteil des analogen Modulator-Eingangssignals erhält. Das Ausgangssignal des Integrators B geLangt auf einen Vergleicher der es mit einer Bezugsgleichspannung vergleicht

EO und dessen Ausgang mit dem Eingang eines getakteten Flipflops 22 verbunden ist. Dieses Flipflop 22 liefertneben seinem eigentlichen Ausgangssignal am Ausgang Q ein dazu komplementäres Ausgangssignal am Ausgang Q an die Integratoren A und B. Das am Ausgang Q erscheinende Ausgangssignal des Flipflops ist ein binäres Signal vom Sigma-Delta-Typ, das mit der Taktfrequenz moduliert ist. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann dieses Ausgangssignal an ein digitales Filter angelegt werden, wenn der Pulsdichtemodulator nach Fig. 7 in einem Analog-Digital-Wandler verwendet wird.

Die Schaltung nach Fig. 7 enthält Kondensatoren C11 bis C17, Schalter SlI bis S20, einen Eingangs-Trennverstärker 23₇

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der das analoge Eingangssignal mit der Bezugsgleichspannung vergleicht, und Trennverstärker 24 und 25. Das Flipflop 22 wird mit dem Takt f betrieben.

Die Schaltfolge zeigt die Tabelle in Fig. 7 . Das abwechselnde Schalten der Kondensatoren verursacht wie oben beschrieben Umverteilungen der Ladung. Am Ende jeder Schaltfolge erhält das Flipflop einen Taktimpuls in Form eines Übergangs vom logischen Pegel 0 zum logischen Pegel 1, wie in der Tabelle angegeben, und das Ausgangssignal des Vergleichers wird zur Verwendung im folgenden Zyklus gespeichert.

Es gibt verschiedene andere Schaltungen, welche die oben aufgestellten Formeln erfüllen werden und mehr oder weniger Kondensatoren erfordern. Die Verwendung von Schaltungsanordnungen in Form von geschalteten Kondensatoren, die zu RC-Integrator-Schaltungen äquivalent sind, erleichtert die Herstellung von integrierten Schaltkreisen, da diskrete Ana log-Bausteine zugunsten von integrierten Kondensatoren entfallen, die insbesondere für eine Verwirklichung in MOS-LSI-Technologie geeignetsind.

Die Figuren 8 und 9 zeigen zwei vereinfachte Versionen der Fig. 7 und die dazugehörigen Scha 11fο Igen. Bei der Anordnung nach Fig. 8 wird das analoge Eingangssignal nur in den Integrator A eingegeben, so daß der Kondensator C14 und die Schalter S15 und S19 entfallen. Bei der Anordnung nach Fig.9 wird das analoge Eingangssignal ebenfalls nur in den Integrator A eingegeben, aus dem der Kondensator C12 entfernt und statt dessen zwischen den Eingang und den Ausgang des Trennverstärkers 24 geschaltet ist. Die Schalter S15 und S19 sind ebenso wie der Kondensator C14 entfallen, und der Kondensator C17 wurde zwischen den Eingang und den Ausgang

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des Vergleichers 21 geschaltet. Zwischen den Ausgang des Trennverstärkers 25 und den Schalter 18 ist ein Invertierglied geschaltet. Somit verwendet diese Anordnung Miller-Integratoren.

L eersei te

Claims (9)

1. INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC
   CORPORATION, NEW YORK

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   ,--.s--- Patentansprüche

   J/. Modutator zur Umsetzung eines analogen Eingangssignals in ein puLsdichtemoduLiertes Ausgangssigna I, dadurch gekennzei c h η e t> daß er einen ersten und einen zweiten Integrator (A, B) enthält, wobei der Eingang des ersten Integrators (A) mit dem RoduLatoreingang und sein Ausgang mit dem Eingang des zweiten Integrators (B) verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Integrators mit dem Eingang eines FlipfLops (22) verbunden ist, das im Takt einer vorgegebenen Taktfrequenz betrieben wird und an ihrem Ausgang das digitale puLsdichtemoduLierte Signal mit der Taktfrequenz abgibt, daß an einem zweiten Ausgang des FLipfLops (22) ein zum puLsdichtemoduIierten Modulatorausgangssignal komplementäres Signal (P) erscheint, das beiden Integratoren (A, B) eingegeben wird und daß die Integratoren aus geschalteten Kondensatoren CC 11 - C17) bestehen (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9).
2. 2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrator (A) aus einem ersten (S11), einem zweiten (S12), einen dritten (S13) und einen vierten Schalter (S14), die in Reihe zwischen dem ModuLatoreingang und dem zweiten Ausgang des Flipflops (22) liegen, und aus einem ersten (C11), einem zweiten (C12) und und einem dritten Kondensator (C13) besteht, wobei jeweils eine Elektrode

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   jedes Kondensators an den Verbindungspunkt eines Schalterpaares angeschlossen ist und die anderen Elektroden der Kondensatoren miteinander verbunden und geerdet sind und wobei eine Elektrode des zweiten Kondensators (C12) mit dem Ausgang des ersten Integrators (A) verbunden ist, und daß im Betriebszustand des Modulators die Schalter (S11-S14) in einer vorgegebenen Schaltfolge betrieben werden (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9).
3. 3. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Trennverstärker (24) zwischen den Ausgang des ersten Integrators (A) und den Eingang des zweiten Integrators (B) geschaltet ist, daß der erste Integrator (A) aus einem ersten (S11), einem zweiten (S12), einem dritten (S13) und einem vierten Schalter (S14), die in Reihe zwischen den Modulator-IS eingang und den zweiten Ausgang des Flipflops (22) geschaltet sind, und aus einem ersten (C11) und einem dritten Kondensator (C13) besteht, wobei eine Elektrode des ersten Kondensators (C11) an den Verbindungspunkt des ersten (S11) und des zweiten Schalters (S12) angeschlossen ist und eine Elektrode des dritten Kondensators (C13.) an den Verbindungspunkt zwischen dem dritten (S13) und dem vierten Schalter (S14) angeschlossen ist, daß die anderen Elektroden des ersten (C11) und des dritten Kondensators (C13) miteinander vei— bunden und geerdet sind, daß der Trennνerstärker C24) zwischen den Verbindungspunkt des zweiten (S12) und dritten Schalters (S13) und den Eingang des zweiten Integrators (B) geschaltet ist und da ß dem Trennverstärker (27) ein zweiter Kondensator (C12) parallel geschaltet ist (Fig. 9).
4. 4. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulatoreingang auch direkt mit dem zweiten Integrator

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   (B) verbunden ist,, daß der zweite Integrator aus einem fünften (S19), eine sechsten (Sl5), einem siebten (S16) und einem achten Schalter CS18), die in Reihe zwischen den Modulatoreingang und den zweiten Ausgang des Flipflops (22) geschaltet sind, und -aus einem vierten (C143 einem fünften (C15), einem sechsten (CJ6) und einem siebten Kondensator (C17) und aus einem neunten (ST7) und einen zehnten Schalter (S20) besteht, daß eine Elektrode des vierten Kondensators (C14) an den Verbindungspunkt zwischen den fünften (S19) und dem sechsten Schalter CS15J angeschlossen ist^ daß eine Elektrode des fünften Kondensators CC153 über den neunten Schalter CS17) mit dem Eingang des zweiten Integrators (B) und über den zehnten Schalter (S20) an den Verbindungspunkt des sechsten (S15) und des siebten Schalters (S16) angeschlossen ist, daß eine Elektrode des sechsten Kondensators (C163 an den Verbindungspunkt des siebten (S163 und achten Schalters (S18> angeschlossen ist, daß eine Elektrode des siebten Kondensators (C17) an den Verbindungspunkt des sechsten CSl53 und siebten Schalters (S16) ange- schlossen ist, und daß die jeweils anderen Elektroden des vierten, fünften, sechsten und siebten Kondensators miteinander verbunden und geerdet sind und daß der Ausgang des zweiten Integrators (B) an den Verbindungspunkt des sechsten (S15) und siebten Schalters CSl63 angeschlossen ist (Fig. 7).
5. 5. Modulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Integrator (B) aus einem zehnten (S17), einem elften (S20) einem zwölften (Si 63 und einem dreizehnten Schalter (S18), die in Reihe zwischen den Eingang des zweiten Integrators (B) und den zweiten Ausgang des Flipflops (22) geschaltet sind und aus einem achten (C153,

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   einen neunten (C17) und einem zehnten Kondensator (C16) besteht, daß eine Elektrode des achten Kondensators (C15) an den Verbindungspunkt des zehnten (S17) und elften Schalters (S 2 0 ) angeschlossen ist, daß eine Elektrode des neunten Kondensators (C.17) an den Verbindungspunkt des elften (S20) und zwölften Schalters (S16) angeschlossen ist, daß eine Elektrode des zehnten Kondensators CC163 an den Verbindungspunkt des zwölften (S16) und dreizehnten Schalters (S18) angeschlossen ist, daß die jeweils anderen Elektroden des achten (C.15). neunten (C.17) und zehnten Kondensators (C16) miteinander verbunden und geerdet sind (Fig. 8).
6. 6. Modulator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des ersten Integrators (A3 über einen Trennverstärker (24) mit dem Eingang des zweiten Integrators (B) verbunden ist (Fig. 7, Fig. 8).
7. 7. Modulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des zweiten Integrators (B) über einen Vergleicher (21), der das Ausgangssignal mit einer Bezugsgleichspannung vergleicht, mit dem Eingang des Flipflops (22) verbunden ist (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9).
8. 8. Modulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das am zweiten Ausgang (Q) des Flipflops (22) erscheinende Ausgangssignal über einen zweiten Trennverstärker (25) dem ersten (A) und dem zweiten Integrator (B) zugeführt wird (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9).
9. 9. Modulator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Modulatoreingang und den Eingang des ersten Integrators (A) ein dritter Trennver-

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   stärker (23) geschaltet ist, der das analoge Eingangssignal mit einer Bezugsgleichspannung vergleicht (Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9) .