DE3688279T2

DE3688279T2 - Gerät zur Analog-Digitalumwandlung.

Info

Publication number: DE3688279T2
Application number: DE86117203T
Authority: DE
Inventors: Norio Arakawa; Hiromi Kosawa; Takayuki Ohgami; Takahiro Yamaguchi
Original assignee: Advantest Corp
Current assignee: Advantest Corp
Priority date: 1985-12-13
Filing date: 1986-12-10
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2006-12-11
Also published as: JPS62140518A; EP0225641A3; EP0225641B1; EP0225641A2; DE3688279D1; US4761634A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur AD-Umsetzung, die zur Umsetzung eines Audiosignals, Musiksignals, Bildsignals oder ähnlichen Analogsignals in ein Digitalsignal verwendet wird, das beispielsweise einer Analyse im Frequenzbereich und/oder Zeitbereich unterzogen werden kann.
Bei einer AD-Umsetzung tritt ein Quantisierungsfehler auf, weil ein AD-Umsetzer eine begrenzte Anzahl von Quantisierungsschritten aufweist. Es sind viele Versuche unternommen worden, ungünstig verteilte Quantisierungsfehler zu mitteln, und zwar durch Anwenden einer Dither- Technik auf ein Originalanalogsignal unter Verwendung von weißem Rauschen, wie es beispielsweise in B. A. Blesser, "Digitalization of Audio: A Comprehensive Examination of Theory, Implementation, and Current Practice", Journal of Audio Engineering Society, Oktober 1978, Band 26, Nr. 10, ausgeführt ist.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel des Standes der Technik. Ein in ein Digitalsignal umzuwandelndes Analogsignal X wird von einem Eingangsanschluß 11 an einen Analogaddierer 12 angelegt. Ein Zufallsimpulsgenerator 13 ist vorgesehen, bei dem es sich um einen M-Folge-Impulsgenerator mit einem Schieberegister handelt. Von dem Zufallsimpulsgenerator 13 in digitaler Form erzeugte Zufallsimpulse werden von einem DA-Umsetzer 14 in ein analoges Rauschsignal N umgesetzt das dem Addierer 12 zur Addition zu dem Analogsignal X zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Addierers (X + N) wird einem AD-Umsetzer 15 geliefert und von diesem in Intervallen einer festgelegten Periode Ts in ein digitales Signal einer vorbestimmten Anzahl von Bits umgesetzt.
Das umgesetzte Ausgangssignal (X + N)Q (wobei Q anzeigt daß das Ausgangssignal ein Digitalsignal ist) von dem AD-Umsetzer 15 wird bei Bedarf an einen Digitalsubtrahierer 16 angelegt, in dem ein Rauschwert (N)Q von dem Zufallsimpulsgenerator 13 digital von dem umgesetzten Ausgangssignal (X + N)Q subtrahiert wird, was ein Ausgangssignal (X + N)Q-(N)Q am Ausgangsanschluß 17 ergibt.
Bei der herkömmlichen Vorrichtung zur AD-Umsetzung einer solchen Art, bei der dem umzusetzenden analogen Signal das weiße Rauschen überlagert wird, ist es möglich, die Quantisierungsfehler gleichförmig über die Quantisierungsschrittgröße Δ zu verteilen, wenn die Amplitude des weißen Rauschens N so gewählt wird, daß sie etwa die Hälfte der Quantisierungsschrittgröße Δ des AD-Umsetzers 15 übersteigt. Eine erhöhte Amplitude des weißen Rauschens N wird auch die Einflüsse der Nichtlinearität der Quantisierungskennlinie des AD-Umsetzers 15 und Variationen seiner Quantisierungsschrittgröße infolge von Mittelwertbildungseffekten verringern. Unter diesem Gesichtspunkt kann das weiße Rauschen M vorzugsweise eine große Amplitude aufweisen.
Wenn das weiße Rauschen N eine kleine Amplitude, das umzusetzende Analogsignal jedoch eine große Amplitude hat, wird geringes Rauschen vom Signal maskiert, wenn es zu einem Audiosignal reproduziert wird. Daher kann der Digitalsubtrahierer 16 von Fig. 1 weggelassen werden. Wenn ferner das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß 17 einer digitalen schnellen Fouriertransformation (FFT) oder einer digitalen diskreten Fouriertransformation (DFT) zur Frequenzanalyse unterzogen wird, kann, falls das weiße Rauschen N klein ist, die am Beobachtungsschirm auftretende Signalkomponente hohe Spitzen über den niedrigen Rauschpegeln aufweisen, die im Analysefrequenzbereich verteilt sind; deshalb ist das weiße Rauschen bei der Beobachtung der Signalkomponente nicht hinderlich. Auch in diesem Fall kann deshalb auf den Digitalsubtrahierer 16 verzichtet werden.
Wenn andererseits die Amplitude des weißen Rauschens aus den obigen Gründen erhöht wird, 20 ist die Rauschkomponente gleichförmig mit hohen Pegeln über ein breites Frequenzband verteilt. Daher ist es nötig, die Rauschkomponente mit Hilfe des Digitalsubtrahierers 16 zu entfernen.
Bei dem obigen bekannten System werden die Zufallsimpulse von dem Zufallsimpulsgenerator 13 mittels des DA-Umsetzers 14 in ein analoges Signal umgesetzt. Wenn in diesem Fall die Amplitude der Zufallsimpulse (Rauschen) groß ist, kann die Nichtlinearität des DA-Umsetzers 14 bei der DA-Umsetzung nicht vernachlässigt werden, und es entsteht die Notwendigkeit, einen teuren DA-Umsetzer mit einem großen Dynamikbereich der Umsetzung einzusetzen. Die Nichtlinearität des DA-Umsetzers 14 verhindert dabei das vollständige Auslöschen des weißen Rauschens trotz seiner Subtraktion mittels des Digitalsubtrahierers 16.
Nebenbei bemerkt sind in Fig. 2 Variationen eines Quantisierungsfehlers dargestellt, der erzeugt wird, wenn die Amplitude des weißen Rauschens N in der herkömmlichen, in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur AD-Umsetzung variiert wurde. Die Rauschamplitude auf der horizontalen Achse in Fig. 2 ist in der Form normiert auf die Quantisierungsschrittgröße Δ ausgedrückt. Wie aus Fig. 2 erkennbar, bewirkt eine Zunahme der Amplitude des weißen Rauschens N eine Abnahme des Quantisierungsfehlers, jedoch erreicht bei diesem Beispiel der Fehler einen Minimalwert bei einer Rauschamplitude von 2Δ und steigt danach eher an.
Eine Vorrichtung zur AD-Umsetzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in dem Dokument EP 0 037 259 offenbart. Bei diesem Stand der Technik ist die analoge Offsetspannung eine mit dem Abtastsignal synchronisierte Rechteckspannung, deren Frequenz die Hälfte der Abtastfrequenz ist. Dieses Dokument offenbart, daß, wenn die Amplitude der Offsetspannung so gewählt wird, daß die Differenz zwischen benachbarten Abtastwerten, die von benachbarten Abtastungen resultieren (2n + 1)QS/2 ist, mit n = 0, 1, 2, 3, . . . und QS der Schrittgröße, daß dann der Effekt der Quantisierungsverzerrungsverringerung am deutlichsten wird.
Das Dokument erwähnt ferner, daß die Analogoffsetspannung mit oder ohne Hinzuaddieren von analogem weißem Rauschen zu dem umzusetzenden Analogsignal benutzt werden kann. Wenn analoges weißes Rauschen hinzugefügt wird, braucht der Pegel des Rauschsignals nur halb so groß wie der herkömmlicherweise eingesetzte zu sein, wodurch eine Verschlechterung des Rauschabstands (S/N Verhältnis) verringert wird.
Eine in der US-A-3 877 022 offenbarte Vorrichtung zur AD-Umsetzung befaßt sich mit einer Lösung des Problems, die Auflösung der Vorrichtung zur AD-Umsetzung zu verbessern, ohne die Vorrichtung übermäßig zu verkomplizieren. Im einzelnen wird das Rauschsignal, das vor der Umsetzung mit dem analogen Eingangssignal kombiniert wird, so gewählt, daß es ein Leistungsspektrum aufweist, das außerhalb des Leistungsspektrums des analogen Eingangssignals und des bei der Umsetzung verwendeten Abtastsignals liegt, und das Rauschsignal hat eine definierte Amplitudenwahrscheinlichkeitsdichte in dem ausgewählten Leistungsspektrum. Zu diesem Zweck lehrt das Dokument, daß das Rauschsignal idealerweise eine Amplitudenwahrscheinlichkeitsdichtefunktion aufweisen sollte, die mit Ausnahme über dem Intervall zwischen einem halben Quantisierungsschritt unter dem analogen Eingangssignal und einen halben Quantisierungsschritt über dem analogen Eingangssignal null ist. Über dem Intervall, wo sie nicht null ist, sollte die Amplitudenwahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Rauschsignals einen speziellen konstanten Wert aufweisen. Die Wirkung dieses Standes der Technik ist die gleiche wie die des unter Bezug auf Fig. 1 erläuterten Standes der Technik.
Das Dokument ELEKTRONlCS INTERNATIONAL, Bd. 53, Nr. 20, 11. September 1989, Seiten 171-172, New York, Vereinigte Staaten von Amerika, L.M. LOWE: ''8-bit a-d converter has 12- bit linearity) offenbart einen 8-Bit AD-Umsetzer, der eine 12-Linearität aufweisen soll. Dies wird erreicht durch Verstreuen von Linearitätsfehlern über den gesamten Bereich des AD-Umsetzers.
So zufallsverteilt, verschwinden die Fehler im Mittel über eine große Anzahl von Abtastungen, genauso wie dies bei Rauschen der Fall ist, und lassen ein Signal hoher Qualität übrig. Dieser Stand der Technik entspricht dem unter Bezug auf Fig. 1 beschriebenen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur AD-Umsetzung zu schaffen, die relativ einfach aufgebaut und billig ist und in der Lage ist, nicht nur die Fehlverteilung eines Quantisierungsfehlers zu verringern, sondern auch die Einflüsse von Schwankungen der Quantisierungsschritte und der Nichtlinearität der Umsetzungskennlinien des verwendeten AD-Umsetzers zu verringern.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu AD-Umsetzung zu schaffen, bei der sich eine digitale Subtraktion des weißen Rauschens von dem Ausgangssignal des AD-Umsetzers erübrigt.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur AD-Umsetzung zu schaffen, die in der Lage ist, die Einflüsse von Nichtlinearitäten von Quantisierungsschritten und der Nichtlinearität der Umsetzungskennlinien des AD-Umsetzers selbst dann zu verringern, wenn weißes Rauschen einer relativ kleinen Amplitude eingesetzt wird.
Diese Aufgaben werden mit einer Vorrichtung zur AD-Umsetzung gelöst, wir sie im Anspruch 1 beansprucht wird.
Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Wechselpegel der analogen Offsetspannung ist größer gewählt als die Amplitude des weißen Rauschens, allgemein etwa ein- bis siebenmal die Quantisierungsschrittgröße Δ des AD-Umsetzers, vorzugsweise drei bis sechsmal, insbesondere etwa viermal die Quantisierungsschrittgröße. Die Änderungsperiode der analogen Offsetspannung braucht nur die Bedingung zu erfüllen, daß ihr Frequenzspektrum außerhalb des Frequenzbandes des Objektsignals (d. h. des Beobachtungsfrequenzbereichs) bleibt. Wenn die analoge Offsetspannung die Form einer Rechteckwelle annimmt, ist ihre Änderungsperiode so gewählt, daß sie wenigstens viermal länger als die Umsetzungsperiode oder sogenannte Abtastperiode Ts des AD-Umsetzers, beispielsweise 256 Ts ist, und ihre Änderung braucht nicht mit der Abtastung durch den AD- Umsetzer synchronisiert zu sein.
Die Amplitude des analogen weißen Rauschens ist auf 6A oder weniger, vorzugsweise im Bereich von Δ/2 bis 4Δ oder so eingestellt. Bei einer Rauschamplitude von mehr als 10 Δ stellt die Nichtlinearität des DA-Umsetzers zur Umsetzung des digitalen weißen Rauschens in ein analoges Rauschen ein Problem dar, und beim bekannten System wird ein teurer DA-Umsetzer nötig.
Da gemäß der Erfindung, wie oben beschrieben, die analoge Offsetspannung dem umzusetzenden Analogsignal überlagert wird, kann der Einfluß einer Ungleichförmigkeit der Schrittgrößen und der Nichtlinearität der Umsetzungseigenschaften auf die AD-Umsetzung verringert werden, selbst wenn die Amplitude des analogen weißen Rauschens verringert ist. Da ferner das Spektrum der analogen Offsetspannung außerhalb des Beobachtungsfrequenzbereichs gelegt ist und die Amplitude des analogen weißen Rauschens klein ist, braucht weder die Offsetspannung noch das weiße Rauschen digital vom Ausgangssignal des AD-Umsetzers subtrahiert zu werden. Natürlich kann die Subtraktion durchgeführt werden. Ferner kann ein billiger DA-Umsetzer mit einer geringen Anzahl von Bits zur Erzeugung des analogen weißen Rauschens eingesetzt werden, da seine Amplitude klein ist, und ein DA-Umsetzer mit ausgezeichneter Umsetzungslinearität ist leicht verfügbar.
Da ferner die Amplitude des weißen Rauschens und der Pegelwechsel (Amplitude) der Offsetspannung in verschiedenen Kombinationen ausgewählt werden können, ist die Freiheit bei der Auslegung der Vorrichtung zu AD-Umsetzung entsprechend erhöht.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine herkömmliche Vorrichtung zur AD-Umsetzung zeigt,
Fig. 2 ist eine Graphik, die den Zusammenhang zwischen der Amplitude eines weißen Rauschens und einem Quantisierungsfehler bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur AD-Umsetzung zeigt,
Fig. 3 ist eine Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zu AD-Umsetzung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt
Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel des Zusammenhangs zwischen einem Abtasttakt und einer Offsetspannung zeigt
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur AD- Umsetzung zeigt, das Wellenformspeicher zur Erzeugung des weißen Rauschens und der Offsetspannung einsetzt,
5 Fig. 6 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, das einen gemeinsamen Wellenformspeicher zur Erzeugung des weißen Rauschens und der Offsetspannung einsetzt
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Beispiel der Offsetspannungserzeugungseinrichtung zeigt,
Fig. 8 ist ein Frequenzspektrum, das beispielhaft den Zusammenhang zwischen dem Beobachtungsband, einem zu beobachtenden Signal, dem Rauschen und der Offsetspannungskomponente zeigt,
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der vorliegenden Erfindung in Anwendung auf den Fall der Umsetzung eines Analogsignals in ein digitales Signal in zwei Stufen zeigt
Fig. 10 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Meßsystems zur Erläuterung der Wirkung der vorliegenden Erfindung zeigt, und
Fig. 11 ist eine Graphik, die ein experimentelles Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Amplitude (Pegeländerung) der Offsetspannung und einem Quantisierungsfehler zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 3 zeigt in Blockform ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Teile, die solchen von Fig. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszahlen bezeichnet sind. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Offseterzeugungseinrichtung 21, die beispielsweise eine Offsetwerterzeugungseinrichtung 22 zur Erzeugung eines Offsetspannungswerts und einen DA- Umsetzer 23 zur Umsetzung des Offsetspannungswerts in eine analoge Spannung umfaßt. Die Offsetspannung O von der Offseterzeugungseinrichtung 21 wird zusätzlich zum Anlegen des Rauschsignals N an den Analogaddierer 12 angelegt. Die Offsetspannung O wird stärker verändert als die Quantisierungsschrittgröße Δ, d. h. sie wird gemäß Darstellung in Fig. 4 beispielsweise auf +4Δ, O, -4Δ, O, +4Δ, . . . , verändert. Dabei brauchen jedoch die Werte dieser Änderungen nicht notwendigerweise ein ganzzahliges Vielfaches der Quantisierungsschrittgröße Δ zu sein. Die Änderungsperiode To der Offsetspannung O ist beispielsweise m-fach länger als die Abtastperiode Ts in dem AD-Umsetzer 15 eingestellt. Die Periode To braucht nicht notwendigerweise konstant gehalten und mit der Abtastperiode Ts synchronisiert zu werden.
Der AD-Umsetzer 15 liefert ein digitales Ausgangssignal (X + N + O)Q umgesetzt aus dem Ausgangssignal des Analogaddierers (X + N + O). Bei diesem Beispiel wird der Digitalwert (O)Q der Offsetspannung O von dem Digitalsubtrahierer 16 auch von dem digitalen Ausgangssignal (X + N + O)Q des AD-Umsetzers 15 subtrahiert, was ein Digitalsignal (X + N + O)Q- (N + O) am Ausgangsanschluß 17 liefert. Das so am Ausgangsanschluß 17 der Vorrichtung zu AD-Umsetzung erhaltene Signal wird beispielsweise einer digitalen schnellen Fouriertransformationseinheit 24 zugeführt, in der das Signal im Zeitbereich zur Analyse in ein Signal im Frequenzbereich umgesetzt wird. Wenn das in digitale Form umzusetzende Analogsignal X ein sich wiederholendes Signal ist, erfolgt die oben erwähnte Umsetzung in den Frequenzbereich bei jeder Wiederholung des Eingangssignals X, und die entsprechenden Frequenzkomponenten in den jeweiligen Umsetzungsergebnissen werden gemittelt. Dies mittelt auch Quantisierungsfehler.
Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sind jeweilige Werte (Abtastwerte) einer weißes Rauschen darstellenden Wellenform in einem Wellenformspeicher 25 für weißes Rauschen vorab gespeichert, werden Taktimpulse einer Frequenz Ts von einem Taktanschluß 26 mittels eines Ringzählers 27 gezählt und dessen Ausgangswert als Adresse zum Auslesen des Speichers 25 verwendet. Jeder Abtastwert der weißes Rauschen darstellenden Wellenform, der aus dem Speicher 25 ausgelesen wird, wird in einer Latchschaltung 28 zwischengespeichert, deren Ausgangssignal mittels des DA-Umsetzers 14 in ein analoges Signal umgesetzt wird. Demzufolge erhält man vom DA- Umsetzer 14 ein analoges weißes Rauschen.
Auf der anderen Seite ist jeder Abtastwert einer Offsetwellenform vorab in einem Offsetwellenformspeicher 29 gespeichert, werden die Taktimpulse von dem Anschluß 26 mittels eines Frequenzteilers 31 auf 1/m der Taktimpulse frequenzgeteilt, und die frequenzgeteilten Ausgangssignale werden mittels eines Ringzählers 32 gezählt. Der Zählwert des Ringzählers 32 wird als Adresse zum Auslesen des Offsetwellenformspeichers 29 verwendet. Die so aus dem Speicher 29 ausgelesenen Abtastwerte der Offsetwellenform werden mittels des Ausgangssignals des Frequenzteilers 31 in einer Latchschaltung 33 zwischengespeichert. Das Ausgangssignal der Latchschaltung wird mittels des DA-Umsetzers 23 in eine Analogform umgesetzt, wodurch man vom DA-Umsetzer 23 eine analoge Offsetspannung erhält.
Der AD-Umsetzer 15 führt bei Empfang jedes ihm gelieferten Taktimpulses vom Anschluß 26 einen Umsetzungsvorgang aus. Dem Digitalsubtrahierer 16 werden die Ausgangssignale von den Latchschaltungen 28 und 33 geliefert. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist es in der Praxis nötig, Verzögerungsschaltungen zur Zeitsteuerung der Arbeitsweisen der jeweiligen Teile vorzusehen, diese werden jedoch aus Gründen der Kürze nicht beschrieben.
Fig. 6 zeigt eine modifizierte Form des Ausführungsbeispiels von Fig. 5, bei der das weiße Rauschen und die Offsetspannung durch eine gemeinsame Einrichtung erzeugt werden.
In diesem Fall sind jeweilige Abtastwerte einer Überlagerungswellenform aus der Wellenform des weißen Rauschens und derjenigen der Offsetspannung in einem Wellenformspeicher 34 abgespeichert, der unter Verwendung des Zählwerts des Zählers 27 ausgelesen wird. Der ausgelesene Ausgangswert wird in der Latchschaltung 28 zwischengespeichert, deren Ausgangssignal dem DA-Umsetzer 14 geliefert wird.
Fig. 7 zeigt eine Modifikation der Offseterzeugungseinrichtung 21, bei der eine analoge Offsetspannung direkt von einem Rechteckwellenoszillator 35 erzeugt und nicht an den Analogaddierer 12, sondern auch an einen AD-Umsetzer 36 angelegt wird, wo sie zur Eingabe in den Digitalsubtrahierer 16 in ein Digitalsignal umgesetzt wird.
Es sei der Fall betrachtet, daß das ausgegebene Digitalsignal am Ausgangsanschluß 17 unter Verwendung beispielsweise der FFT-Einheit 24 in Fig. 3 in ein Signal des Frequenzbereichs umgesetzt wird. Wenn der Frequenzbereich (Band) so ist, wie es durch die gestrichelte Linie 37 in Fig. 8 angegeben ist, dann ist das Frequenzspektrum des analogen weißen Rauschens N zumindest im Beobachtungsbereich im wesentlichen flach, wie durch 38 angegeben, und das Rauschen tritt zufälliger auf. Wenn der Pegel des Frequenzspektrums 38 des analogen weißen Rauschens N ausreichend kleiner als die zu beobachtenden Signalkomponenten 39 ist, wie dargestellt, hindert es die Beobachtung der Signalkomponenten 39 nicht. Wenn die Signalkomponenten 39 zu einem Audiosignal reproduziert werden, wird das Rauschen von den Signalkomponenten 39 hoher Intensität nahezu maskiert. Deshalb mag keine Notwendigkeit der Subtraktion des digitalen weißen Rauschens (N)Q mittels des Digitalsubtrahierers bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen bestehen. Durch geeignete Auswahl der Offsetspannung derart, daß die Frequenzkomponenten der Offsetspannung außerhalb des Beobachtungsbandes 37 fallen, wie durch 41 oder 42 in Fig. 8 angegeben, braucht in ähnlicher Weise auch die Offsetkomponente nicht mittels des Digitalsubtrahierers 16 subtrahiert zu werden. Demzufolge kann der Digitalsubtrahierer 16 in diesen Fällen entfallen. Wenn die Pegel der Signalkomponenten 39 ausreichend höher als der Pegel der Offsetspannungskomponente 41 oder 42 sind, kann der Digitalsubtrahierer 16 auch im Fall der Wiedergabe des AD-umgesetzten Ausgangssignals am Anschluß 17 in ein Audiosignal weggelassen werden.
Es ist vorgeschlagen worden, einen relativ kleinen, leistungsfähigen, schnellen AD-Umsetzer für eine AD-Umsetzung einzusetzen, bei der ein in digitaler Form umzusetzendes Analogsignal figürlich im Sinne eines Digitalwerts in einen Hochpegelteil und einen Niederpegelteil unterteilt wird, die beiden Teile in im wesentlichen denselben Pegelbereich verschoben und einzeln in Digitalsignale umgesetzt werden, und dann die Digitalsignale nach Einstellung der Größenordnung zu einem Gesamtsignal zusammengesetzt werden. Dies ist beispielsweise im HEWLETT PACKARD JOURNAL, Dez. 1984, S. 13-15 eingeführt. Auch in diesem Fall kann die vorliegende Erfindung verwendet werden. Wie beispielsweise in Fig. 9 gezeigt, wird das Analogsignal vom Eingangsanschluß 11 sowohl an einen Analogdividierer 44 als auch einen Analogsubtrahierer 45 geliefert. Das Ausgangssignal des Dividierers 44 gelangt über einen Umschalter 46 an den Analogaddierer 12. Dies ist ein Beispiel der Anwendung auf das in Fig. 6 gezeigt Ausführungsbeispiel, bei dem der Wellenformspeicher 34 ausgelesen wird, das ausgelesene Ausgangssignal zu Schaffung einer überlagerten Spannung des weißen Rauschens und der Offsetspannung in ein Analogsignal umgesetzt wird und die überlagerte Spannung dem Analogaddierer 12 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Analogaddierers 12 wird mittels des AD-Umsetzers 15 in ein Digitalsignal umgesetzt, von dem mittels des Digitalsubtrahierers 16 das weiße Rauschen und die Offsetkomponente subtrahiert werden. Als Folge dessen wurde eine Komponente des Ausgangssignals des Digitalsubtrahierers, die vom Standpunkt eines Digitalwerts dem Hochpegelteil des analogen Eingangssignals entspricht, zu einem niedrigen Pegel verschoben und dann in ein Digitalsignal umgesetzt, das in einer Latchschaltung 47 zwischengespeichert wird, und gleichzeitig wird es mittels eines DA-Umsetzers 48 in ein Analogsignal umgesetzt. Dabei wird der Pegel des Analogsignals zum Ursprungsanalogpegels rückgeführt, und das Ausgangssignal des DA-Umsetzers 48 wird an den Analogsubtrahierer 45 angelegt wo der Hochpegelteil des ursprünglichen analogen Eingangssignals am Eingangsanschluß 11 durch das Ausgangssignal des DA-Umsetzers subtrahiert wird. Der Pegel des verbleibenden Niedrigpegelteils vom Analogsubtrahierer 45 wird mittels eines Multiplizierers 49 angehoben, dessen Ausgangssignal über den Schalter 46 an den Analogaddierer 12 geliefert wird.
Bei dieser Anordnung sind der Divisor des Teilers 44 und der Faktor des Multiplizierers 49 so gewählt, daß der volle Bereich des AD-Umsetzers 15 sehr effektiv ausgenutzt wird. Wie oben beschrieben, wird das Ausgangssignal des Multiplizierers 49 außerdem über den Analogaddierer 12 an den AD-Umsetzer 15 zur Umsetzung in ein Digitalsignal angelegt. In dem Digitalsubtrahierer 16 werden die Rauschkomponente und die Offsetkomponente von dem umgesetzten Ausgangssignal entfernt, und das Ausgangssignal des Subtrahierers wird an einen Addierer 51 geliefert, wo es mit dem zuvor umgesetzten und in der Latchschaltung 47 gehaltenen Hochpegelteil zu einem Gesamtsignal kombiniert wird, das an den Ausgangsanschluß 17 geliefert wird.
Zur Verifizierung der Wirkung der vorliegenden Erfindung hat der vorliegende Erfinder folgendes Experiment ausgeführt. Wie in Fig. 10 gezeigt, wurde die Ausgangsseite eines Analogsubtrahierers 53 mit dem Eingangsanschluß 11 der Vorrichtung zur AD-Umsetzung verbunden, und der Analogsubtrahierer 53 wurde an einem Eingang mit dem Ausgang eines Rechteckwellengenerators 54 und an dem anderen Eingang mit dem Ausgang eines Sinuswellenoszillators 55 über einen Schalter 56 verbunden. Eine Sinuswelle gleicher Frequenz und Amplitude wie die Grundwelle der Ausgangsrechteckwelle von dem Rechteckwellengenerator 54 wurde von dem Sinuswellenoszillator 55 erzeugt. Nebenbei bemerkt wurde der Digitalsubtrahierer 16 weggelassen.
Zunächst wurde der Schalter 56 eingeschaltet, und die Ausgangssignale der beiden DA-Umsetzer 13 und 23 wurden auf Null gesetzt. Folglich wurde die Grundwellenkomponente des Ausgangssignals von dem Rechteckwellengenerator 54 von der Sinuswelle von dem Oszillator 55 ausgelöscht, und nur Hochfrequenzkomponenten der Rechteckwelle wurden über den Analogaddierer 12 an den AD-Umsetzer 15 geliefert. Das AD-umgesetzte Ausgangssignal wurde von der Einrichtung 24 in ein Signal des Frequenzbereichs transformiert, und der Pegel jeder Hochfrequenzkomponente wurde als ein wahrer Wert betrachtet.
Danach wurde der Schalter 56 ausgeschaltet, der Ausgang des DA-Umsetzers 23 wurde auf Null gehalten, und das Ausgangssignal des Rechteckwellengenerators 54 wurde an den Analogaddierer 12 geliefert, um zuerst den Quantisierungsfehler gemäß der bekannten Vorrichtung zu messen. Dabei wurde das Ausgangssignal des DA-Umsetzers 14 an den Analogaddierer 12 geliefert, und die Amplitude des Ausgangssignals des DA-Umsetzers 14, das heißt die Amplitude des analogen weißen Rauschens, wurde allmählich erhöht, und dann wurde der Quantisierungsfehler des umgesetzten Ausgangssignals vom AD-Umsetzer 15 gemessen. Die Meßergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt, worauf bereits Bezug genommen wurde. Der Quantisierungsfehler ist definiert als die Summe der Differenzen zwischen den Frequenzkomponenten des Ausgangssignals von der Einrichtung 24 und den oben genannten wahren Werten.
Als nächstes wurde die Amplitude des Ausgangssignals von dem DA-Umsetzer 14, das heißt die Amplitude der analogen Offsetspannung ausgehend von Null allmählich erhöht, während die Amplitude des weißen Rauschens bei 2Δ gehalten wurde, wo, wie aus Fig. 2 ersichtlich, der Quantisierungsfehler ein Minimum hatte. Die Meßergebnisse des Quantisierungsfehlers in bezug auf die Erhöhung der Offsetspannung sind so, wie in Fig. 1 1 dargestellt. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, bewirkt eine Erhöhung der Amplitude der Offsetspannung eine Abnahme des Quantisierungsfehlers und, wenn die wechselnde Amplitude der Offsetspannung ±4Δ um Null beträgt ist der Quantisierungsfehler minimal. Wie ferner aus Fig. 11 erkennbar, sind die Amplitudenänderungen im Bereich von ± (Δ bis 7Δ) im Vergleich zu Fig. 2 ebenfalls wirksam zur Verringerung des Quantisierungsfehlers, und Änderungen im Bereich von ± (3 bis 6Δ) haben ebenfalls merklich Wirkungen.
Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Amplitude von weißem Rauschen, das einem umzusetzenden Analogsignal überlagert wird, selbst dadurch verringert werden, daß letzterem eine Offsetspannung wechselnder Pegel überlagert wird, so daß der Digitalsubtrahierer 16, wie oben erwähnt, nicht immer an der Ausgangsseite des AD-Umsetzers 15 vorgesehen werden muß. Ferner ist es möglich, zur Erzeugung der weißen Rauschspannung einen DA-Umsetzer mit geringer Bitzahl, geringer Größe und geringen Kosten, aber ausgezeichneter Linearität und hoher Präzision einzusetzen. Dies gewährleistet eine korrekte Kompensation zur Auslöschung mittels des Digitalsubtrahierers 16, wenn dieser eingesetzt wird. Zusätzlich erlaubt die Verwendung der Offsetspannung nicht nur eine gleichförmige Verteilung des Quantisierungsfehlers, sondern unterdrückt auch die Einflüsse von Veränderungen der Quantisierungsschrittgröße und der Nichtlinearität der Umwandlungseigenschaften des AD-Umsetzers.
Ein DA-Umsetzer mit einer geringen Bitzahl kann auch als der DA-Umsetzer 23 zur Erzeugung der Offsetspannung verwendet werden. Da darüberhinaus der Quantisierungsfehler durch Verwendung von sowohl von weißem Rauschen als der Offsetspannung verringert wird, liefert eine geeignete Auswahl ihrer Amplituden eine größere Freiheit bei der Auslegung der Vorrichtung zur AD-Umsetzung.

Claims

1. Vorrichtung zur AD-Umsetzung, bei der von einer Erzeugungseinrichtung (13, 14; 14, 25, 27; 14, 27, 34) für weißes Rauschen ein analoges weißes Rauschen erzeugt wird, von einer Offseterzeugungseinrichtung (21; 14, 27, 34) eine analoge Offsetspannung mit wechselnden Pegeln erzeugt wird, das analoge weiße Rauschen und die analoge Offsetspannung von einer Analogaddiereinrichtung (12) zu dem umzusetzenden analogen Signal addiert werden und das addierte Ausgangssignal von einem AD-Umsetzer (15) in ein digitales Signal umgesetzt wird, wobei die Änderung zwischen aufeinanderfolgenden wechselnden Pegeln der Offsetspannung größer als der Quantisierungsschritt des AD-Umsetzers (15) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des analogen weißen Rauschens gleich oder größer als die Hälfte des Quantisierungsschritts des AD-Umsetzers (15) ist und die Periode zwischen aufeinanderfolgenden Wechseln-des Pegels der Offsetspannung das Vierfache oder mehr der Abtastperiode beträgt.

2. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 1, bei der die Erzeugungseinrichtung für weißes Rauschen eine digitale Erzeugungseinrichtung (13) für weißes Rauschen zum Erzeugen eines digitalen weißen Rauschens und eine erste DA-Umsetzeinrichtung (14) zum Umsetzen des digitalen weißen Rauschens in das an die Analogaddiereinrichtung anzulegende analoge weiße Rauschen umfaßt.

3. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 2, bei dem die digitale Erzeugungseinrichtung für weißes Rauschen eine erste Speichereinrichtung (25) zur Speicherung einer Wellenform von digitalem weißen Rauschen enthält, wobei die von der ersten Speichereinrichtung ausgelesene Ausgabe als das digitale weiße Rauschen der ersten DA-Umsetzeinrichtung (14) geliefert wird.

4. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 3, bei der die Offsetspannungserzeugungseinrichtung (21) eine zweite Speichereinrichtung (19) zur Speicherung einer digitalen Offsetwellenform sowie eine zweite DA-Umsetzeinrichtung (23) zur Umsetzung der digitalen Offsetwellenform in die analoge Offsetspannung enthält.

5. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 4, bei der eine DA-Umsetzeinrichtung (14) sowohl als die erste DA-Umsetzeinrichtung als auch die zweite DA-Umsetzeinrichtung verwendet wird und eine Speichereinrichtung (34) sowohl als die erste Speichereinrichtung als auch die zweite Speichereinrichtung verwendet wird, und bei der die Wellenform des digitalen weißen Rauschens und die digitale Offsetwellenform einander überlagert in der Speichereinrichtung (34) gespeichert sind und aus dieser wiederholt ausgelesen, von der DA- Umsetzeinrichtung (14) in analoge Form umgesetzt und dann an die Analogaddiereinrichtung (12) angelegt werden.

6. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 4, ferner enthaltend eine Einrichtung (27) zum wiederholten Auslesen der ersten Speichereinrichtung (25) synchron mit ersten Taktimpulsen einer Umsetzperiode des AD-Umsetzers (15) und einer Einrichtung (23) zum wiederholten Auslesen der zweiten Speichereinrichtung (29) durch zweite Taktimpulse, deren Frequenz geringer als die der ersten Taktimpulse ist.

7. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 1, bei der die Offsetspannungserzeugungseinrichtung (21) eine Speichereinrichtung (29) zur Speicherung einer digitalen Offsetwellenform und eine DA-Umsetzeinrichtung (23) zum Umsetzen der digitalen Offsetwellenform in die analoge Offsetspannung umfaßt.

8. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 1, bei der die Offseterzeugungseinrichtung (21) einen Offsetgenerator (25) enthält, der direkt die analoge Offsetspannung erzeugt gekennzeichnet durch das Vorsehen einer AD-Umsetzeinrichtung (36) zum Umsetzen der analogen Offsetspannung von dem Offsetgenerator in ein digitales Offsetsignal, und eine Digitalsubtrahiereinrichtung (16) zum Subtrahieren des umgesetzten digitalen Offsetsignals von der Ausgabe des AD-Umsetzer (15).

9. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 ferner enthaltend eine Digitalsubtrahiereinrichtung (16) zum Subtrahieren der aus der Speichereinrichtung (29) ausgelesenen digitalen Offsetwellenform von der Ausgabe des AD-Umsetzers (15).

10. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 9, bei der die Digitalsubtrahiereinrichtung (16) ebenfalls die Subtraktion der Wellenform des weißen Rauschens von der Ausgabe des AD-Umsetzers ausführt.

11. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 10, umfassend:

eine Analogdividiereinrichtung (44) zum Dividieren des Pegels des analogen Eingangssignals durch einen gegebenen Wert;

eine dritte DA-Umsetzeinrichtung (48) zur Umsetzung der Ausgabe der Digitalsubtrahiereinrichtung (16) in einen analogen Pegel; eine Analogsubtrahiereinrichtung (45) zum Subtrahieren des Ausgangssignals der dritten DA-Umsetzeinrichtung (48) von dem analogen Eingangssignal;

eine Schalteinrichtung (46), die wahlweise das Ausgangssignal der Analogdividiereinrichtung (44) oder das der Analogsubtrahiereinrichtung (45) an die Analogaddiereinrichtung (12) liefert; und

eine Kombiniereinrichtung (47, 51) zum Kombinieren der Ausgaben der Digitalsubtrahiereinrichtung (16), und zwar derjenigen, die erhalten wird, wenn das Ausgangssignal der Analogdividiereinrichtung an die Analogaddiereinrichtung geliefert wird, und derjenigen, die erhalten wird, wenn das Ausgangssignal der Analogsubtrahiereinrichtung an die Analogaddiereinrichtung geliefert wird, wobei die kombinierten Ausgaben die Ausgabe der Vorrichtung zur AD-Umsetzung darstellt.

12. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 7, bei die Amplitude des analogen weißen Rauschens zu etwa dem Sechsfachen oder weniger der Quantisierungsschrittgröße Δ des AD-Umsetzers (15) gewählt ist.

13. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach Anspruch 12, bei der die Pegeländerung der analogen Offsetspannung etwa das Siebenfache oder weniger der Quantisierungsschrittgröße Δ des AD-Umsetzers (15) ist.

14. Vorrichtung zur AD-Umsetzung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 8, bei der die Pegeländerung der analogen Offsetspannung etwa das Siebenfache oder weniger der Quantisierungsschrittgröße Δ des AD-Umsetzers (15) ist.