DE4205491A1 - Verfahren zur steuerung eines digitalen pulsstufenmodulators psm - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Rundfunk-Sendetechnik. Sie betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines digitalen Pulsstufenmodulators PSM, wel­ cher eine Mehrzahl von n gleichartigen Schaltstufen mit einer festen Ausgangsspannung umfaßt, wobei die Schaltstufen mittels eines in jeder Schaltstufe vorhan­ denen Schalters nach Maßgabe eines Niederfrequenz-Ein­ gangssignals wahlweise in Serie geschaltet werden können, bei welchem Verfahren

• a) der zulässige Bereich des Niederfrequenz-Eingangs­ signals in eine der Anzahl der Schaltstufen entspre­ chende Anzahl gleichartiger Spannungsstufen unter­ teilt wird;
• b) zu jedem Zeitpunkt die Anzahl der Spannungsstufen bestimmt wird, deren Summe eine Stufenspannung er­ gibt, welche gleich oder um weniger als eine Span­ nungsstufe größer oder kleiner ist als die Ein­ gangssignalspannung und die Eingangssignalspannung approximiert;
• c) zu jedem Zeitpunkt eine dieser Anzahl der Spannungs­ stufen entsprechende Anzahl Schaltstufen mittels entsprechender Schaltimpulse in Serie geschaltet wird; und
• d) zur besseren Approximation der Eingangssignalspan­ nung eine zwischen der Eingangssignalspannung und der Stufenspannung auftretende Differenzspannung durch eine zur Stufenspannung addierte oder von der Stufenspannung subtrahierte periodische, pulsdauer­ modulierte PDM-Spannung verkleinert wird, nach deren Maßgabe die Schaltstufen zusätzlich pulsdauermodu­ liert geschaltet werden.

Ein solches Verfahren ist z. B. aus der Druckschrift Brown Boveri Technik 5-85, S. 235-240 (1985), bekannt.

STAND DER TECHNIK

Es ist seit längerem bekannt, zur Verbesserung der Zuver­ lässigkeit und des Wirkungsgrades bei AM-Rundfunksendern halbleiterbestückte Pulsstufenmodulatoren einzusetzen, die eine Leistungsverstärkung des Niederfrequenz-Ein­ gangssignals bewirken und zugleich die notwendige Anoden­ spannung für die Sendeendröhre zur Verfügung stehen.

Ein solcher PSM-Verstärker, wie er auch in der eingangs genannten Druckschrift erläutert wird, umfaßt eine Mehr­ zahl von n gleichartigen Mittelspannungsquellen mit kon­ stanter Ausgangsspannung, die mittels eines in der Aus­ gangsleitung jeder Stufe angeordneten Schalters wahlweise in Serie geschaltet werden können. Zur Verstärkung des analogen Niederfrequenz-Eingangssignals wird der maximale Bereich der Eingangssignalspannung in n gleich große Spannungsstufen unterteilt und zu jedem Zeitpunkt die An­ zahl der Spannungsstufen bestimmt, deren Summe eine Stu­ fenspannung ergibt, die gleich oder um weniger als eine Spannungsstufe kleiner oder größer ist als der Momentan­ wert der Eingangssignalspannung. Auf diese Weise wird die Eingangssignalspannung treppenstufenartig durch die Stu­ fenspannung approximiert.

Wenn nun entsprechend der vorher bestimmten Anzahl der Spannungsstufen jeweils eine gleiche Anzahl von Schaltstufen ausgangsseitig in Serie geschaltet wird, er­ gibt sich am Ausgang des PSM-Verstärkers eine entspre­ chend verstärkte Stufenspannung, durch welche das ge­ wünschte verstärkte Niederfrequenz-Eingangssignal appro­ ximiert werden kann.

Da die Approximation wegen der begrenzten Anzahl der Schaltstufen vergleichsweise grob ist, wird beim bekann­ ten PSM-Verstärker weiterhin vorgesehen, die Differenz zwischen Eingangssignalspannung und Stufenspannung da­ durch zu verkleinern, daß zur Stufenspannung eine peri­ odische pulsdauermodulierte PDM-Spannung addiert oder von der Stufenspannung subtrahiert wird, deren Pulshöhe ge­ rade einer Spannungsstufe entspricht. Entsprechend werden die Schaltstufen derart angesteuert, daß sich am Ausgang ein PDM-Signal addiert bzw. subtrahiert, dessen Pulshöhe gerade der Ausgangsspannung einer Schaltstufe entspricht.

Die Schaltstufen enthalten in der Regel als Schalter Lei­ stungshalbleiter, deren Schaltfrequenz begrenzt ist. Aus diesem Grunde werden die Schaltstufen mit Vorteil so an­ gesteuert, daß die notwendigen Schaltvorgänge auf alle Schaltstufen möglichst gleichmäßig verteilt werden, wie dies z. B. in der Druckschrift EP-B1-01 24 765 vorgeschla­ gen worden ist.

Aus demselben Grunde sollte das zusätzliche PDM-Signal auch nicht durch pulsdauermodulierte Ansteuerung einer speziellen Schaltstufe erzeugt werden, sondern z. B. da­ durch, daß (bei der Addition eines PDM-Signals) eine Schaltstufe zu Beginn eines PDM-Pulses eingeschaltet, und eine andere Schaltstufe am Ende des PDM-Pulses ausge­ schaltet wird (bei der Subtraktion eines PDM-Signals sind die Verhältnisse genau umgekehrt: zu Beginn eines PDM- Pulses wird eine Schaltstufe ausgeschaltet, am Ende des Pulses eine andere eingeschaltet). Insgesamt ergibt sich dann für jede Schaltstufe eine tatsächliche mittlere Stu­ fenschaltfrequenz, die sich aus einem von der PDM-Fre­ quenz f_P des PDM-Signals herrührenden Anteil und einem vom Modulationsfrequenzprodukt m*f_NF (m=Modulationsgrad; f_NF=Signalfrequenz der Eingangssignalspannung) stammenden Anteil zusammensetzt.

Wird nun dabei die PDM-Frequenz f_P konstant gehalten, va­ riiert die Stufenschaltfrequenz stark mit dem Modulati­ onsfrequenzprodukt, was sich wegen der begrenzten Schalt­ frequenzen der verwendeten Halbleiter im Betrieb nachtei­ lig auswirkt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines PSM-Verstärkers anzugeben, bei welchem die tatsächliche mittlere Stufenschaltfrequenz der Schaltstufen auf einem niedrigen Niveau weitgehend kon­ stant gehalten wird.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genann­ ten Art dadurch gelöst, daß

• e) die PDM-Frequenz der periodischen PDM-Spannung di­ rekt oder indirekt nach Maßgabe des zeitlichen Ver­ laufs der Eingangssignalspannung dynamisch verändert wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß bei einer Signalfrequenz f_NF und einem Modulationsgrad m der Eingangssignalspannung und einer vorgegebenen mittleren Stufenschaltfrequenz f_s die PDM-Frequenz nach Maßgabe der Gleichung

f_p = n*f_s - n*m*f_NF

dem Modulationsfrequenzprodukt m*f_NF angepaßt wird.

Damit wird erreicht, daß trotz einem stark variierenden Modulationsfrequenzprodukt die tatsächliche mittlere Stu­ fenschaltfrequenz weitgehend konstant gehalten werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform anstelle der aufwendigen direk­ ten Bestimmung des Modulationsfrequenzprodukts m*f_NF als Maß für das Modulationsfrequenzprodukt einfacherweise ein numerisch gleitender Mittelwert aus der Anzahl der Schaltimpulse für die Schaltstufen nach Maßgabe der Gleichung

m*f_NF = I/(2*n*T_i)

gebildet wird, wobei T_i die Mittelungs- bzw. Integrati­ onszeit und I die Anzahl der in der Zeit T_i auftretenden Schaltimpulse bezeichnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung werden bei der dynamisch angepaßten PDM-Spannung deren einzelne Impulse zeitsymmetrisch zur PDM-Periode gelegt, wobei

• a) zwei Zähler verwendet werden, welche jeweils bei ei­ ner Zahl überlaufen;
• b) jeder der beiden Zähler vor Beginn der Zählung mit einer bestimmten zugehörigen Preset-Zahl gesetzt wird, wobei die Preset-Zahl des ersten Zählers größ­ er ist als die Preset-Zahl des zweiten Zählers;
• c) beide Zähler mit derselben Clockfrequenz betrieben werden; und
• d) das Überlaufsignal des ersten Zählers zum Starten eines Impulses der PDM-Spannung und das Überlauf­ signal des zweiten Zählers zum Beenden dieses Impul­ ses verwendet wird.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung soll nachfolgend im Zusammenhang mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert werden. Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines bekannten PSM- Verstärkers, wie er beim Verfahren nach der Er­ findung Verwendung findet;

Fig. 2a-d verschiedene Signalformen und Pulsfolgen, wie sie bei der Verstärkung eines Niederfrequenz- Eingangssignals in einem PSM-Verstärker gemäß Fig. 1 auftreten;

Fig. 3 das Blockschaltbild einer möglichen Schaltung für die Erzeugung einer dynamisch angepaßten bzw. ausgeregelten PDM-Frequenz nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren;

Fig. 4 das Prinzipschaltbild einer Schaltung zur Er­ zeugung eines zeitsymmetrischen PDM-Impulses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung; und

Fig. 5a-c Diagramme zur Erläuterung der Methode, nach welcher die Preset-Zahlen X und Y für die Schaltung gemäß Fig. 4 festgelegt werden.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines digital ar­ beitenden Pulsstufenmodulations- oder PSM-Verstärkers wiedergegeben, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Verstärker umfaßt eine Mehrzahl von n gleichar­ tigen Schaltstufen S1,..,Sn, die jeweils als schaltbare Mittelspannungsquellen aufgebaut sind und einen Gleich­ richter Gl, sowie zur Glättung eine Drossel Dr und einen Kondensator C enthalten. Über einen gesteuerten Schalter S und eine Kaskade von Dioden D können die Schaltstufen S1,..,Sn wahlweise mit ihrer konstanten Ausgangsspannung in Serie geschaltet werden.

Die Eingangsspannung der Schaltstufen S1,..,Sn stammt aus entsprechenden galvanisch getrennten Sekundärwicklungen eines Netztransformators 2, dessen Primärwicklung an eine Wechselspannungsquelle, in der Regel das Netz, ange­ schlossen ist. Die Schalter S der Schaltstufen S1,..,Sn werden von einer Schaltstufensteuerung 5 angesteuert, die nach Maßgabe eines am Eingang anliegenden Niederfre­ quenz-Eingangssignals NF so viele Schaltstufen einschal­ tet wie zur Approximation der Eingangssignalspannung durch eine Stufenspannung notwendig sind.

Am Ausgang des Verstärkers ist vor einer Last 4 ein Tief­ paßfilter 3 angeordnet, welches das digital approxi­ mierte Ausgangssignal derart glättet, daß sich nähe­ rungsweise eine verstärkte Form des Niederfrequenz-Ein­ gangssignals NF ergibt.

Zur Verbesserung der Approximation ist darüberhinaus die Überlagerung eines pulsdauermodulierten Zusatzsignals zur Stufenspannung vorgesehen, die anhand der Fig. 2a-d ohne Beschränkung der Allgemeinheit für den speziellen Fall der Addition eines PDM-Signals erläutert werden soll: Wie in Fig. 2a dargestellt und durch die punktier­ ten Linien angedeutet, ist der zulässige Bereich des Nie­ derfrequenz-Eingangssignals NF in eine Mehrzahl von ins­ gesamt n (n = Anzahl der Schaltstufen) gleichartigen Spannungsstufen U_s unterteilt.

Der tatsächliche zeitliche Verlauf der dem Niederfre­ quenz-Eingangssignal NF zugeordneten Eingangssignalsspan­ nung U_NF wird dann zunächst grob approximiert durch eine Stufenspannung U_GSM, welche als ganzzahliges Vielfaches einer Spannungsstufe U_s gleich oder um weniger als eine Spannungsstufe U_s kleiner ist als die Eingangssignalspan­ nung U_NF. Aufgrund der endlichen Größe von n ergibt sich zwischen der Eingangssignalspannung U_NF und der Stufen­ spannung U_GSM eine Differenzspannung dU = U_NF - U_GSM, die für das Beispiel aus Fig. 2a in Fig. 2b wiedergegeben ist.

Zur Feinapproximation wird nun die Differenzspannung dU durch eine periodische pulsdauermodulierte PDM-Spannung U_P angenähert, wie dies in Fig. 2c für einen herausge­ griffenen Zeitabschnitt, der zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ liegt, gezeigt ist. Die PDM-Spannung U_P besitzt dabei eine PDM-Periode T_P und die Höhe ihrer Pulse ent­ spricht einer Spannungsstufe U_s. Die PDM-Spannung U_P wird zur Stufenspannung U_GSM addiert und erlaubt auf diese Weise selbst bei einer geringen Anzahl n von Schaltstufen bzw. Spannungsstufen eine vergleichsweise gute Annäherung der stetigen Eingangssignalspannung U_NF.

Die Stufenspannung U_GSM und die überlagerte PDM-Spannung U_P werden nun durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltstufen S1,..,Sn in verstärkter Form dargestellt, wobei aus der Schaltstufensteuerung 5 die notwendigen Schaltbefehle für das Einschalten (On) und das Ausschal­ ten (Off) der jeweiligen Schalter S in den Stufen an die Schalter S gegeben werden. Für den in Fig. 2c dargestell­ ten Zeitabschnitt zwischen t₀ und t₁ sind diese Schaltbe­ fehle in Form von nach oben (On) bzw. nach unten (Off) gerichteten Pfeilen in Fig. 2d wiedergegeben, wobei die beiden längeren Pfeile (bei t₀ und t₁) das dauerhafte Ein- bzw. Ausschalten einer ganzen Stufe, die kürzeren, dazwischenliegenden Pfeile das pulsdauermodulierte Ein- und Ausschalten einer Stufe symbolisieren.

An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß in jedem Fall (d. h. hinsichtlich U_GSM und U_P) nicht notwendig diejenige Stufe wieder ausgeschaltet werden muß, die vorher gerade eingeschaltet worden ist, sondern daß vielmehr bewußt bei jedem Schaltvorgang andere Schaltstufen eingesetzt werden, um die Belastung der Schaltstufen zu vergleichmäßigen. Da alle Schaltstufen äquivalent sind, kann also beispielsweise ein PDM-Puls erzeugt werden, indem zu Beginn des Pulses eine noch nicht eingeschaltete Schaltstufe, z. B. S1, eingeschaltet, am Ende des Pulses aber eine andere, bereits eingeschal­ tete Schaltstufe, z. B. S4, ausgeschaltet wird. An dieser Stelle sei noch einmal bemerkt, daß im Falle der Sub­ traktion eines PDM-Signals die Verhältnisse genau umge­ kehrt sind, d. h. zu Beginn eines Pulses wird eingeschal­ tete Schaltstufe aus-, am Ende des Pulses eine andere, nicht eingeschaltete Stufe eingeschaltet.

Unter dieser Voraussetzung einer weitgehenden Gleichver­ teilung der Schaltvorgänge auf alle n Schaltstufen S1,..,Sn läßt sich für die einzelnen Schaltstufen eine mittlere Stufenschaltfrequenz f_s angeben, die sich wie folgt zusammensetzt:

f_s = f_P/n + m*f_NF (1)

wobei f_P = 1/T_P die PDM-Frequenz bezeichnet, und m*_fNF das sogenannte Modulationsfrequenzprodukt aus dem Modula­ tionsgrad m (m = Verhältnis der Amplitude von U_NF zum Ma­ ximalwert (n*U_s)/2) und der Signalfrequenz f_NF des Nie­ derfrequenz-Eingangssignals NF.

Um nun die mittlere Stufenschaltfrequenz auf einem vorge­ gebenen Wert möglichst konstant zu halten, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die PDM- Frequenz f_P mit dem Modulationsfrequenzprodukt dynamisch so verändert, daß f_s ≈ const. gilt. Die Auflösung der Gleichung (1) nach f_P ergibt dann:

f_P = (f_s - m*f_NF)*n = n*f_s - n*m*f_NF. (2)

Da wegen der Voraussetzung f_s ≈ const. der Anteil n*f_s konstant ist, variiert f_P proportional zum Modulations­ frequenzprodukt m*f_NF.

Die Bestimmung des Modulationsfrequenzproduktes ist nicht ganz einfach. Sie kann aber umgangen werden, wenn man be­ rücksichtigt, daß der Term n*m*f_NF direkt proportional zur maximalen Steigung der Eingangssignalsspannung U_NF in einer Periode ist. Einen proportionalen Wert zu dieser Steigung erhält man durch eine numerisch gleitende Mit­ telwertbildung über die Anzahl der Schaltimpulse, die zur Darstellung der verstärkten Form der Stufenspannung U_GSM an die Schaltstufen S1,..,Sn abgegeben werden.

Die Herleitung einer entsprechenden Formel zur Bestimmung der PDM-Frequenz f_P als Funktion der mittleren Anzahl von On/Off-Impulsen geht von folgendem Ansatz aus: In einer vollen Periode des Niederfrequenz-Eingangssignals NF tre­ ten (bei m=1) 2*n On/Off-Impulse auf (jede Stufe wird einmal ein- und ausgeschaltet). Bei m < oder < 1 sind es entsprechend m*2*n On/Off-Impulse. Während einer vorgege­ benen Mittelungs- bzw. Integrationszeit T_i ergeben sich somit im Mittel

I = m*2*n*f_NF*T_i (2a)

On/Off- bzw. Schaltimpulse. Nach n*m*f_NF aufgelöst und in Gleichung (2) eingesetzt ergibt sich für die PDM-Frequenz

f_NF = n*f_s - I/(2*T_i). (2b)

Mit Kenntnis der Stufenschaltfrequenz f_s und der Stufen­ zahl n, sowie einer geeigneten Wahl der Integrationszeit T_i für die Mittelwertbildung kann auf diese Weise gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die PDM-Frequenz f_P dynamisch auf numerischem Wege dem Modulationsfrequenzprodukt m*f_NF angepaßt wer­ den. Die Anpassung der PDM-Frequenz f_P an das Modulati­ onsfrequenzprodukt kann dabei kontinuierlich oder diskret in mehreren Stufen erfolgen. Natürlich ist auch der Grenzfall f_P = 0 erlaubt.

Das Blockschaltbild einer möglichen Schaltung zur Reali­ sierung der beschriebenen dynamischen Nachführung umfaßt gemäß Fig. 3 ein ODER-Gatter 6, über daß die On/Off- Schaltimpulse aus den einzelnen Schaltstufen S1,..,Sn auf den Eingang eines Mittelwertbildners 7 gegeben werden. Der dort errechnete Mittelwert I der On/Off-Impulse wird auf den Eingang einer nachfolgenden Kennliniensteuerung 8 gegeben, wo gemäß Gleichung (2b) aus dem Wert I ein ent­ sprechender Steuerwert für die PDM-Frequenz f_P abgeleitet und zur Steuerung an einen Oszillator 10 weitergegeben wird, welcher die PDM-Frequenz f_P erzeugt und an die Schaltstufensteuerung 5 abgibt. Im Falle einer kontinu­ ierlichen Nachführung sind Kennliniensteuerung 8 und Os­ zillator 10 direkt miteinander verbunden (gestrichelte Verbindung). Im Falle diskreter Stufen dagegen ist bei­ spielsweise eine Umschaltlogik 9 zwischengeschaltet, die das Ergebnis aus der Kennliniensteuerung 8 mit fest vor­ gegebenen Werten vergleicht und bei Überschreiten dieser Werte jeweils eine neue Festfrequenz im Oszillator 10 einstellt.

Während die Blöcke 6, 7 und 8 eine Schaltung zur Steue­ rung der PDM-Frequenz f_P darstellen, kann die PDM-Fre­ quenz alternativ auch ausgeregelt werden. Entsprechende Schaltungsteile sind im oberen Teil der Fig. 3 darge­ stellt und umfassen gleichfalls einen Mittelwertbildner 11 und eine nachgeschaltete Regelungsschaltung 12, die wiederum wahlweise direkt (gestrichelte Verbindung) oder über die Umschaltlogik 9 auf den Oszillator 10 einwirken kann. Die Stufenschaltfrequenz wird gemessen und ihr Ist­ wert f_si im Mittelwertbildner 11 gemittelt und anschließ­ end in der Regelungsschaltung 12 mit der vorgegebenen mittleren Stufenschaltfrequenz f_s verglichen. Die Diffe­ renz beider Größen ist dann ein Maß dafür, ob die PDM- Frequenz f_P erhöht oder vermindert werden muß. Sie wird mit einem Normierungsfaktor F multipliziert und dann zur Regelung des Oszillators 10 verwendet. Diese Art der Re­ gelung hat den besonderen Vorteil, das die PDM-Frequenz f_P nicht explizit bekannt sein muß. Sie wird vielmehr automatisch dem Sollwert nachgeregelt (P-Regler). Ande­ rerseits ist zu berücksichtigen, daß die Regelstrecke eine Totzeit aufweist, so daß die Regelung dem aktuellen Wert immer nachhinkt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung wird eine PDM-Spannung U_P verwendet, deren ein­ zelne Impulse zeitsymmetrisch zur PDM-Periode T_P liegen. Eine bevorzugte, in Digitaltechnik realisierbare Methode zur Erzeugung einer solchen PDM-Spannung soll nachfolgend anhand der Fig. 4 und 5a-c erläutert werden:

In Fig. 5a ist in Entsprechung zur Fig. 2b ein Abschnitt der Differenzspannung dU dargestellt, der sich als Diffe­ renz zwischen der Eingangssignalsspannung U_NF und der Stufenspannung U_GSM ergibt. Die Fläche dieser Differenz­ spannung ist positiv, da hier wiederum der spezielle Fall der Addition des PDM-Signals angenommen wird. Die Fläche soll, wie bereits vorher erwähnt, durch die PDM-Spannung U_P möglichst genau ausgefüllt werden. Dazu wird die Dif­ ferenzspannung gemäß Fig. 5a zu diskreten Zeitpunkten im Abstand einer Abtastperiode t_s abgetastet. Die zugehörige Abtastfrequenz 1/t_s beträgt dabei ein ganzzahliges Viel­ faches der PDM-Frequenz f_P. Die Addition der letzten k Abtastwerte ergibt eine zur Spannungsfläche der Diffe­ renzspannung dU proportionale Zahl B, aus welcher gemäß dem in Fig. 5c gezeigten Diagramm zwei Preset-Zahlen X und Y (< X) für zwei Zähler Z1 und Z2 (Fig. 4) erzeugt werden, mit deren Hilfe die Zeitpunkte t_On und t_Off für den Anfang bzw. das Ende des gewünschten zeitsymmetri­ schen PDM-Pulses (Fig. 5b) festgelegt werden.

Die beiden Zähler Z1 und Z2 werden mit derselben Clock­ frequenz f_z betrieben und laufen jeweils bei derselben Zahl Z_max über. Am Anfang der PDM-Periode (t=0 in Fig. 5b) wird der erste Zähler Z1 auf die erste Preset-Zahl X, der zweite Zähler Z2 auf die zweite Preset-Zahl Y ge­ setzt. Die beiden Zähler zählen dann synchron mit der Clockfrequenz f_z aufwärts. Sobald der erste Zähler Z1 überläuft, wird (bei t_On) über seinen Carry-Ausgang ein On-Befehl für den PDM-Impuls (dies entspricht einem Off- Befehl, wenn das PDM-Signal subtrahiert werden soll) ab­ gegeben. Da X < Y, muß der zweite Zähler Z2 länger als Z1 zählen, bis er überläuft. Der zweite Zähler gibt also entsprechend später (bei t_Off) an seinem Carry-Ausgang einen Off-Befehl für den PDM-Impuls (dies entspricht ei­ nem On-Befehl, wenn das PDM-Signal subtrahiert werden soll) ab.

Durch geeignete Wahl der Preset-Zahlen X und Y (in Abhän­ gigkeit von der momentanen PDM-Frequenz f_P), der Länge der Zähler Z1, Z2 und der Clockfrequenz f_z gemäß Fig. 5c kann so eine bezüglich der PDM-Periode zeitsymmetri­ sche PDM-Spannung U_P erzeugt werden. Die Wahl der Zahlen ergibt sich wie folgt:

Damit der bei Beginn der zugehörigen PDM-Periode gestar­ tete Zähler Z1 bei t_On überläuft, muß für die erste Pre­ set-Zahl X gelten

X = Z_max - t_On*f_z. (3)

Für den zweiten Zähler Z2 und den Abschaltzeitpunkt t_Off gilt analog

Y = Z_max - t_Off*f_z. (4)

Weiterhin gilt für die verschiedenen Zeiten im Verhältnis zu den Spannungsflächen:

wobei B die Summe der letzten k Abtastwerte und B_max den maximal möglichen Wert von B darstellen. Maßgebend sind hier nicht die absoluten Werte B und B_max, sondern nur deren Verhältnis.

Für den Grenzfall t_On = t_Off = T_P/² (unendlich kurzer PDM-Impuls) lauten die Preset-Zahlen für die beiden Zäh­ ler Z1, Z2

X1 = Z_max - f_z*(T_P/²) + 1 (6)

und

Y1 = Z_max - f_z*(T_P/²) - 1; (7)

die Zahlen +1 und -1 sind hier deshalb hinzugefügt, weil es keinen Sinn macht, gleichzeitig einen On- und Off-Be­ fehl zu generieren.

Für den zweiten Grenzfall t_On = 0, t_Off = T_P (der PDM- Puls dauert die ganze PDM-Periode) gilt:

X2 = Z_max - 1 (8)

und

Y2 = Z_max - f_z*T_P + 1; (9)

auch hier sind die Zahlen +1 und -1 vorgesehen, um einen gegenüber der Nachbarperiode eindeutig abgrenzbaren PDM- Impuls zu erhalten.

Mit den in (6) bis (9) aufgeführten Randwerten ergeben sich die in Fig. 5c dargestellten linearen Beziehungen zwischen X bzw. Y und B, die den folgenden Formeln genü­ gen:

X = X1 + (X2-X1)*B/B_max (10)

und

Y = Y1 - (Y1-Y2)*(B_max-B)/B_max. (11)

Die gewünschte Genauigkeit der Zeitpunkte t_On und t_Off bestimmt die Länge (Bitlänge) der eingesetzten Zähler Z1 und Z2. Die nötige Clockfrequenz f_z ergibt sich aus der Bitlänge und der maximal vorkommenden PDM-Periode T_P. Als Beispiel seien ein Z_max = 512 (Bitlänge: 9 Bit) und eine maximale PDM-Periode von T_P = 30 µs angegeben, was zu ei­ ner Clockfrequenz von f_z = 32 MHz führt. Die PDM-Perioden können z. B. dynamisch in Stufen umschaltbar sein zwischen T_P = 0, 10 µs, 20 µs und 30 µs. Als Abtastrate sei eine Frequenz von 1/t_s = 100 kHz genannt, so daß PDM-Frequen­ zen f_P von 100 kHz/N (N = ganze Zahl) denkbar sind.

Obgleich die Art der Pulserzeugung hier nur für den Fall der Addition eines PDM-Signals beschrieben worden ist, kann sie selbstverständlich in entsprechender Abwandlung auch für den äquivalenten Fall der Subtraktion eines PDM- Signals verwendet werden.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines PSM-Verstärkers, welches zu einer Ver­ gleichmäßigung der Schaltvorgänge in den Schaltstufen führt und leicht in digitaler Schaltungstechnik reali­ siert werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung eines digitalen Pulsstufenmo­ dulators PSM, welcher eine Mehrzahl von n gleichartigen Schaltstufen (S1,..,Sn) mit einer festen Ausgangsspannung umfaßt, wobei die Schaltstufen (S1,.. ,Sn) mittels eines in jeder Schaltstufe vorhandenen Schalters (S) nach Maßgabe eines Niederfrequenz-Eingangssignals (NF) wahl­ weise in Serie geschaltet werden können, bei welchem Ver­ fahren

• a) der zulässige Bereich des Niederfrequenz-Eingangs­ signals (NF) in eine der Anzahl der Schaltstufen (S1,..,Sn) entsprechende Anzahl gleichartiger Span­ nungsstufen (U_s) unterteilt wird;
• b) zu jedem Zeitpunkt die Anzahl der Spannungsstufen (U_s) bestimmt wird, deren Summe eine Stufenspannung (U_GSM) ergibt, welche gleich oder um weniger als eine Spannungsstufe (U_s) größer oder kleiner ist als die Eingangssignalspannung (U_NF) und die Ein­ gangssignalspannung (U_NF) approximiert;
• c) zu jedem Zeitpunkt eine dieser Anzahl der Spannungs­ stufen entsprechende Anzahl Schaltstufen (S1,..,Sn) mittels entsprechender Schaltimpulse in Serie ge­ schaltet wird; und
• d) zur besseren Approximation der Eingangssignalspan­ nung (U_NF) eine zwischen der Eingangssignalspannung (U_NF) und der Stufenspannung (U_GSM) auftretende Dif­ ferenzspannung (dU) durch eine zur Stufenspannung (U_GSM) addierte oder von der Stufenspannung (U_GSM) subtrahierte periodische, pulsdauermodulierte PDM- Spannung (U_P) verkleinert wird, nach deren Maßgabe die Schaltstufen (S1,..,Sn) zusätzlich pulsdauermo­ duliert geschaltet werden; dadurch gekennzeichnet, daß
• e) die PDM-Frequenz (f_P) der periodischen PDM-Spannung (U_P) direkt oder indirekt nach Maßgabe des zeitli­ chen Verlaufs der Eingangssignalspannung (U_NF) dyna­ misch verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Signalfrequenz f_NF und einem Modulations­ grad m der Eingangssignalspannung (U_NF) und einer vorge­ gebenen mittleren Stufenschaltfrequenz f_s die PDM-Fre­ quenz (f_P) nach Maßgabe der Gleichung f_P = n*f_s - n*m*f_NFdem Modulationsfrequenzprodukt m*f_NF angepaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für das Modulationsfrequenzprodukt m*f_NF ein numerisch gleitender Mittelwert aus der Anzahl der Schaltimpulse für die Schaltstufen (S1,..,Sn) nach Maßgabe der Gleichung m*f_NF = I/(2*n*T_i)gebildet wird, wobei T_i die Mittelungs- bzw. Integrati­ onszeit und I die Anzahl der in der Zeit T_i auftretenden Schaltimpulse bezeichnet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vorgegebenen mittleren Stufenschaltfre­ quenz (f_s) die PDM-Frequenz (f_P) nach Maßgabe der Diffe­ renz zwischen der vorgegebenen mittleren Stufenschaltfre­ quenz (f_s) und einer tatsächlich gemessenen mittleren Stufenschaltfrequenz (f_s,m) nachgeregelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung bzw. Nachregelung der PDM-Frequenz (f_P) kontinuierlich erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassung bzw. Nachregelung der PDM-Frequenz (f_P) in diskreten Stufen erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine PDM-Spannung (U_P) verwendet wird, deren einzelne Impulse zeitsymmetrisch zur PDM-Pe­ riode (T_P) liegen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zeitsymmetrischen Impulse der PDM- Spannung (U_P)

• a) zwei Zähler (Z1, Z2) verwendet werden, welche je­ weils bei einer Zahl (Z_max) überlaufen;
• b) jeder der beiden Zähler (Z1, Z2) vor Beginn der Zäh­ lung mit einer bestimmten zugehörigen Preset-Zahl (X bzw. Y) gesetzt wird, wobei die Preset-Zahl (X) des ersten Zählers (Z1) größer ist als die Preset-Zahl (Y) des zweiten Zählers (Z2);
• c) beide Zähler (Z1, Z2) mit derselben Clockfrequenz (f_z) betrieben werden; und
• d) das Überlaufsignal des ersten Zählers (Z1) zum Starten eines Impulses der PDM-Spannung (U_P) und das Überlaufsignal des zweiten Zählers (Z2) zum Beenden dieses Impulses verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Differenzspannung (dU) mit einer Abtastfrequenz abgetastet wird, welche ein ganzzahliges Vielfaches der PDM-Frequenz (f_P) beträgt, und die letzten k (k = ganze Zahl) Abtastwerte aufsummiert werden; und
• b) die Preset-Zahlen X bzw. Y nach Maßgabe der folgen­ den Gleichungen bestimmt werden:

X = X1 + (X2-X1)*B/B_max und
Y = Y1 - (Y1-Y2)*(B_max-B)/B_max,
wobei B die tatsächliche Summe der letzten k Abtast­ werte, und B_max die maximal mögliche Summe der letz­ ten k Abtastwerte bedeuten, und X1, X2 sowie Y1, Y2 durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:
X1 = Z_max - f_z*T_P/2 + 1;
X2 = Z_max - 1;
Y1 = Z_max - f_z*T_P/2 - 1; und
Y2 = Z_max - f_z*T_P + 1.