DE60200890T2

DE60200890T2 - Bandpass-sigma-delta-modulator und anwendungen desselben zur wandlung, detektierung und erzeugung von signalen

Info

Publication number: DE60200890T2
Application number: DE60200890T
Authority: DE
Inventors: Elisabeth Orsier; Marc Belleville; Cyril Condemine
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: EP1382124B1; FR2823619A1; WO2002084884A1; JP4064823B2; JP2004526380A; DE60200890D1; US6911928B2; US20040169437A1; EP1382124A1; FR2823619B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sigma-Delta-Modulator und noch genauer einen Sigma-Delta-Modulator mit wenigstens einem Resonator und einem internen Wandler.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines solchen Sigma-Delta-Modulators, um Analog-Digital-Umwandlungsvorrichtungen, Detektionsvorrichtungen physikalischer Größen und/oder Signalerzeugungsvorrichtungen zu realisieren.
Wegen dieser sehr unterschiedlichen Verwendungen hat die Erfindung zahlreiche technische Anwendungsgebiete. Zum Beispiel kann die Erfindung dazu dienen, Hochfrequenzsignale zu verarbeiten oder in einer Kommunikationsvorrichtung ein Bezugsfrequenzsignal zu erzeugen. Sie kann folglich in einem tragbaren oder analogen Telefon verwendet werden. Die Erfindung kann auch zur Realisierung physikalischer Messinstrumente dienen, zum Beispiel elektromechanischer, optischer, akustischer, thermischer oder anderer Messinstrumente.
Stand der Technik
Die Sigma-Delta-Modulatoren sind elektronische Vorrichtungen, die jetzt in Signalverarbeitungsgeräten sehr häufig verwendet werden. Der Einsatz von Sigma-Delta-Modulatoren ist sehr üblich bei der Umwandlung analoger Signale in digitale Signale. Der Stand der Technik bezüglich der Sigma-Delta-Modulatoren sowie ein breiterer technologischer Hintergrund der Erfindung gehen aus den Dokumenten (1) bis (12) hervor, deren vollständige Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind.
Unter den bekannten Sigma-Delta-Modulatoren kann man insbesondere zwei Modulatorengruppen unterscheiden, nämlich die Tiefpass-Modulatoren und die Bandpass-Modulatoren.
Die Bandpass-Sigma-Delta-Modulatoren sind im Wesentlichen um ein oder mehrere integrierende Elemente herum aufgebaut. Verbunden mit wenigstens ein Tiefpassfilter realisierenden Filtereinrichtungen bilden sie sogenannte Tiefpass-Sigma-Delta-Wandler. Die zum Beispiel in dem Dokument (1) dargestellten Sigma-Delta-Modulatoren werden hier nicht betrachtet. Die Erfindung betrifft nämlich die Tiefpass-Sigma-Delta-Modulatoren. Diese, verbunden mit Filtereinrichtungen, die wenigstens die Bandpassfilter-Funktion erfüllen, bilden sogenannte Bandpass-Sigma-Delta-Wandler.
Die beigefügte 1 zeigt schematisch und vereinfacht die hauptsächlichen Elemente eines Bandpass-Sigma-Delta-Wandlers bekannten Typs. Dieser Wandler ist ein Wandler zweiter Ordnung. Er enthält einen Resonator, der wie zwei Integratoren verbucht werden kann. Die Anzahl der Integratoren definiert die Ordnung eines Sigma-Delta-Wandlers.
Man kann bei dem Sigma-Delta-Wandler 10 zwei Hauptteile unterscheiden, nämlich einen Modulator 12 und Filtereinrichtungen 130. Ein Eingang E des Sigma-Delta-Modulators ist in Reihenfolge mit einem elektrischen Resonator 16, einem Komparator 18 und einem digitalen Bandpass verbunden, der hier die Filtereinrichtungen 130 bildet. Der Ausgang des Sigma-Delta-Wandlers entspricht dem der Filtereinrichtungen 130. Eine Rückkopplungsschleife 20 verbindet den Ausgang des Komparators 18 mit dem Eingang des Resonators 16. Ein Mischer 15 ist vorgesehen, um das in den Anschluss E eingespeiste Eingangssignal und das Signal der Rückkopplungsschleife 20 zu addieren. Die Rückkopplungsschleife kann außerdem Bauteile wie einen internen Digital-Analog-Wandler oder einen Verstärker enthalten. Diese sind aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel des elektrischen Resonators 16 kann man zum Beispiel in dem oben erwähnten Dokument (3) finden.
Der Komparator 18 wird wie ein interner Analog-Digital-Wandler verwendet. Er liefert zum Beispiel ein in einem einzigen Bit codiertes Signal, das einen ersten logischen Wert annimmt, wenn das durch den elektrischen Resonator gelieferte analoge Signal einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, und das einen zweiten – komplementären – logischen Wert annimmt, wenn das von dem Resonator stammende analoge Signal kleiner ist als dieser Schwellenwert. Das analoge Signal ist also am Ausgang des Modulators ein mittels PDM (Pulse Density Modulation) moduliertes Signal.
Die Filtereinrichtungen 130 sind vom Bandpass-Typ und haben vor allem die Funktion, in dem modulierten Signal ein der Umwandlung des analogen Signals in ein zum Beispiel auf die Ausgangsniveaus des Komparators quantifiziertes inhärentes Quantifizierungs-Rauschen zu eliminieren.
Wenn der Sigma-Delta-Modulator als Analog-Digital-Wandler benutzt wird, sind die Filtereinrichtungen 130 digital und können auch als Dezimator verwendet werden, das heißt zur Umwandlung eines in einer kleinen Zahl von Bits codierten Signals mit hoher Frequenz in ein in einer größeren Zahl von Bits codiertes Signal mit niedrigerer Frequenz.
Der elektrische Resonator 16 ist gekennzeichnet durch seinen Qualitätsfaktor. Dieser drückt die Breite eines Frequenzbands aus, in dem die Resonanzamplitude einen Schwellenwert überschreitet. Man nimmt an, dass der Qualitätsfaktor hoch ist, wenn die Resonanzamplitude einen großen Absolutwert hat und das Frequenzband schmal ist. Der Schwellenwert wird als Maximalwert der Resonanz weniger 3 dB definiert.
Die Qualität des Sigma-Delta-Modulators ist mit dem Qualitätsfaktor des Resonators verknüpft. Sie bedingt insbesondere die Eliminierung des Quantifizierungsgeräuschs in dem Durchlassband. Mit anderen Worten liefert ein Sigma-Delta-Modulator, ausgestatte mit einem Resonator mit einem breiten Resonanzband, das heißt mit einem sehr schlechten Qualitätsfaktor, ein Ausgangssignal mit einem sehr starken Quantifizierungsgeräusch. Dies ist trotz des Filterns durch die Filtereinrichtungen 130 der Fall.
Um die Qualität des Sigma-Delta-Modulators zu verbessern, besteht eine Lösung darin, mehrere Resonatorstufen in Serie vorzusehen. So erhält man einen Sigma-Delta-Modulator höherer Ordnung. Zu diesem Thema kann man zum Beispiel auf die Dokumente (3) und (4) konsultieren.
Die Vervielfachung der Modulatorstufen drückt sich jedoch durch eine bestimmte Anzahl von Schwierigkeiten aus. Eine der Hauptschwierigkeiten ist die der Betriebsstabilität des Sigma-Delta-Modulators. Weitere Schwierigkeiten sind mit eventuellen Interferenzen der elektrischen Resonatoren untereinander oder mit anderen elektrischen Bauteilen verknüpft. Die Vervielfachung der Stufen der Sigma-Delta-Modulatoren drückt sich durch einen erhöhten Verbrauch von elektrischer Energie aus, der sich als unvereinbar mit den Versorgungsquellen von tragbaren Geräten erweisen kann.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Sigma-Delta-Modulator vorzuschlagen, der nicht die Beschränkungen der oben erwähnten Vorrichtungen aufweist.
Eine Aufgabe besteht insbesondere darin, einen Sigma-Delta-Modulator vorzuschlagen, der ein sehr schwaches Quantifizierungsgeräusch aufweist und dabei nur über eine begrenzte Anzahl von Resonatoren verfügt.
Eine andere Aufgabe besteht darin, einen Sigma-Delta-Modulator vorzuschlagen, der unempfindlich ist für die Interferenzen mit elektrischen oder elektronischen Schaltungen der Umgebung, insbesondere bei Hochfrequenz-Anwendungen, und der den Anforderungen entspricht, die mit den tragbaren Geräten verbunden sind.
Schließlich hat die Erfindung noch die Aufgabe, mehrere spezifische Anwendungen des Sigma-Delta-Modulators vorzuschlagen, die seinen Besonderheiten entsprechen.
Um diese Aufgaben zu lösen, hat die Erfindung einen Sigma-Delta-Modulator zum Gegenstand, der umfasst:

– wenigstens einen Resonator,
– einen internen Wandler zur Umwandlung eines von dem Resonator stammenden analogen Signals in ein digitales Zeitinformationssignal, und
– eine Rückkopplungsschleife, die einen Ausgang des Wandlers mit einem Anregungseingang des Resonators verbindet.

Festzustellen ist, dass die Erfindung nicht nur mit einem linearen Resonator realisiert werden kann, sondern auch mit einem nichtlinearen Resonator.
Nach der Erfindung wird wenigstens ein Resonator des Sigma-Delta-Modulators aus der Gruppe ausgewählt, welche die mechanischen, elektromechanischen, elektrostatischen, optischen und chemischen Resonatoren umfasst.
Unter Resonator versteht man eine Vorrichtung, bei der davon ausgegangen wird, dass sie in einem die Frequenz null ausschließenden Resonanzband schwingt und deren Reaktion bei einer Anregungsfrequenz außerhalb des Resonanzbands vernachlässigbar ist. Man geht zum Beispiel davon aus, dass eine Reaktion vernachlässigbar ist, wenn ihre Amplitude um wenigstens 10 dB niedriger ist als die Amplitude einer Reaktion mit der Verstärkung 1.
Der in dem Sigma-Delta-Modulator verwendete Resonator ist kein elektronischer oder elektrischer Resonator. Dies bedeutet, dass die Resonanz an sich kein elektrisches oder elektronisches Phänomen ist. Jedoch ist festzustellen, dass das Anregungssignal des Resonators oder das Ausgangssignal des Resonators ohne weiteres elektrische Signale sein können. Die Tatsache, dass der Resonator weder elektrisch noch elektronisch ist, ermöglicht, die Interferenzen mit Schaltungen der Umgebung stark zu reduzieren, egal ob diese mit hoher oder niedriger Frequenz arbeiten. Außerdem hat sich gezeigt, dass die mechanischen oder optischen Resonatoren zum Beispiel Qualitätsfaktoren aufweisen, die im Allgemeinen höher sind als die der elektrischen Resonatoren. Man kann also selbst mit einer reduzierten Anzahl Resonatorstufen eine sehr gute Eliminierung des Quantifizierungsgeräusches erzielen.
Der Sigma-Delta-Modulator der Erfindung kann einen einzigen aber auch mehrere Resonatoren umfassen. Wenigstens einer dieser Resonatoren ist kein elektrischer Resonator, wie oben angegeben. Dies schließt jedoch nicht die Verbindung dieses Resonators mit einem oder mehreren anderen Resonatoren – des elektronischen Typs oder nicht – aus.
Wenn der Anregungseingang und/oder der Ausgang des Resonators nicht elektrisch ist, kann der Resonator wenigstens einem elektrischen Interface zugeordnet werden, das heißt einem Organ, das fähig ist, die physikalischen Signale, zum Beispiel mechanische, optische oder akustische, in elektrische Signale umzuwandeln, oder umgekehrt. Dies ermöglicht insbesondere, den Ausgang mit den Filtereinrichtungen kompatibel zu machen.
Es ist außerdem anzumerken, dass in dem Fall, wo der Eingang des Resonators kein elektrischer Eingang ist, es wieder möglich ist, den Resonator direkt mit einem physikalischen Signal anzuregen. Es ist dann am Eingang des Resonators kein elektrisches Interface nötig.
Wenn hingegen die Rückkopplungsschleife ein elektrisches Signal liefert und der Anregungseingang vom physikalischen Typ ist, kann die Rückkopplungsschleife mit dem Anregungseingang jeweils durch ein elektromagnetisches Interface, ein elektrooptisches Interface oder ein elektroakustisches Interface für das Signal verbunden werden. Diese Aspekte werden in der Folge des Textes noch detaillierter dargestellt.
Die Bandpass-Filtereinrichtungen sind wie bei den klassischen Sigma-Delt-Wandlern vorgesehen, um das Quantifizierungsgeräusch zu filtern und eventuell eine Dezimation des Signals durchzuführen. Sie können ein oder mehrere Filterelemente umfassen, deren Gesamtverhalten das einer Bandpassfilterung ist. Das Band wird ebenfalls klassisch in Bezug auf das des Resonators angepasst.
Der interne Wandler des Sigma-Delta-Wandlers ist eine Vorrichtung, die fähig ist, ein Digitalsignal mit Zeitinformation zu liefern. Es handelt sich um ein Signal mit relativ hoher Frequenz, in einer kleinen Zahl von Bits codiert, zum Beispiel in einem einzigen Bit. Die Information ist dann wenigstens teilweise in einer mehr oder weniger großen Pulsdichte enthalten. Ein solcher interner Wandler, auch als Analog-Digital-Wandler bezeichnet, kann als einfacher Komparator dargestellt werden, der dazu bestimmt ist, eine Amplitude des von dem Resonator stammenden analogen Signals mit einem oder mehreren Schwellenwerten zu vergleichen. Man darf also diesen internen Analog-Digital-Wandler nicht mit der Analog-Digital-Umwandlungsfunktion eines Sigma-Delta-Modulators vergleichen, der mit den digitalen Filtereinrichtungen verbunden ist: Dieser Aspekt wird in der Folge des Textes detaillierter beschrieben.
Bei einer speziellen Ausführung des Sigma-Delta-Modulators kann der Resonator ein freier Oszillator sein. In diesem Fall ist er mit einer Rückkopplungsschleife ausgestattet, die seinen Ausgang mit seinem Eingang verbindet. Diese Schleife kann eventuell mit Verstärkungs- oder Vergleichseinrichtungen ausgestattet sein.
Nach einem weiteren Aspekt kann der Resonator ein Resonator mit Resonanzunterhaltung, zum Beispiel ein durch ein äußeres Anregungssignal unterhaltener Oszillator.
Gemäß einer Perfektionierung kann der erfindungsgemäße Sigma-Delta-Modulator mit einer Regelschleife ausgestattet sein, die einen Ausgang des Modulators mit einem Anregungseingang des Modulators verbindet. Diese Schleife kann mit Filtereinrichtungen eines Regulators und/oder eines Komparators versehen sein, um das Ausgangssignal oder eine Charakteristik dieses Signal mit einem Einstellwert oder einem Einstellsignal zu vergleichen. Die Regelschleife hat dann im Wesentlichen die Aufgabe, das Verhalten des Modulators zu stabilisieren, zum Beispiel wenn dieser benutzt wird, um ein Signal zu erzeugen.
Die Erfindung betrifft auch eine Analog-Digital-Umwandlungsvorrichtung eines Signals, die einen analogen Signaleingang und einen wie oben beschriebenen Sigma-Delta-Wandler umfasst. Der analoge Signaleingang ist dann mit dem Anregungseingang des Resonators verbunden. Das in den Eingang des Resonators eingespeiste Signal ist ein umzuwandelndes analoges Signal. Der Begriff "Signal" wird hier in einem sehr allgemeinen Sinn angewendet, der die Einspeisung eines kontinuierlichen und invariablen Signals nicht ausschließt. Der Wandler kann nämlich bei allen Anwendungen benutzt werden, bei denen ein von einer Signalquelle stammendes Signal oder eine zum Beispiel von einem Messinstrument stammende Spannung in einem Digitalwert umgewandelt werden muss.
Wenn der Anregungseingang des Resonators ein physikalischer Eingang ist, während das umzuwandelnde Signal ein elektrisches Signal ist, kann der analoge Eingang mit dem Anregungseingang in der schon erwähnten Weise durch ein elektromechanisches oder elektrooptisches Interface verbunden werden.
Die Erfindung hat noch einen Generator digitaler oder analoger Signale zum Gegenstand, der einen Sigma-Delta-Modulator wie beschrieben umfasst, bei dem wenigstens ein Resonator ein Oszillator ist, und eventuell Filtereinrichtungen mit einem digitalen oder analogen Filter.
Das analoge Filter ermöglicht, das am Ausgang des internen Analog-Digital-Wandlers des Sigma-Delta-Modulators verfügbare pulsdichte-modulierte Signal umzuwandeln. Dieses Ausgangssignal ist zum Beispiel ein sinusförmiges Signal.
Wenn der Sigma-Delta-Modulator als Signalgenerator verwendet wird, kann der Resonator ein freier Oszillator sein. In diesem Fall wird in den Anregungseingang des Resonators kein äußeres Signal eingespeist. Dieser hat jedoch noch immer eine Rückkopplungsschleife, die seinen Ausgang mit seinem Anregungseingang verbindet. Diese Schleife ermöglicht, den Resonator in einen freien Oszillator zu verwandeln.
Die Erfindung betrifft auch noch die Verwendung eines Sigma-Delta-Modulators in einer Messvorrichtung einer physikalischen Größe. Die Messvorrichtung umfasst einen für eine physikalische Größe empfindlichen Detektionsresonator und einen Sigma-Delta-Modulator wie oben beschrieben.
Zu präzisieren ist, dass die physikalische Größe, für die der Resonator empfindlich ist, nicht mit dem Anregungssignal verbunden bzw. verknüpft ist, das in den Eingang des Resonators eingespeist wird oder nicht. Die physikalische Größe ist eine Größe, welche die Schwingungsamplitude des Resonators modifiziert. Wenn der Resonator zum Beispiel ein Vibrationsgyrometer bzw. Schwingkreisel ist, kann die zu messende Größe eine Corioliskraft sein. Bei anderen Resonatoren kann die physikalische Größe eine Temperatur sein.
Die hier betrachtete physikalische Größe unterscheidet sich also von einer physikalischen Größe, die von einem außerhalb des Sigma-Delta-Modulators befindlichen Sensor stammt, dessen analoges Messsignal in den Anregungseingang des Resonators eingespeist wird, um in ein digitales Signal umgewandelt zu werden. Dies entspricht nämlich einer Verwendung des Sigma-Delta-Modulators in einem Analog-Digital-Wandler entsprechend der vorhergehend betrachteten Art und nicht als Messvorrichtung an sich.
Gemäß einer speziellen Realisierung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann diese Messvorrichtung Anregungseinrichtungen des Detektionsresonators in Form eines zweiten, sogenannten Anregungsresonators umfassen, der mit dem Detektionsresonator gekoppelt ist. Der Anregungsresonator kann Teil eines unterschiedlichen zweiten Sigma-Delta-Modulators sein. Ein spezielles Beispiel der oben definierten Kopplung kann die Corioliskraft sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, mit Bezug auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen. Diese Beschreibung dient nur der Erläuterung und ist nicht einschränkend.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die schon beschriebene 1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung eines Sigma-Delta-Modulators bekannten Typs nach dem Stand der Technik.
Die 2 und 3 sind schematische Darstellungen von erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulatoren.
Die 4 bis 6 sind schematische Darstellungen spezieller Anwendungen erfindungsgemäßer Sigma-Delta-Modulatoren.
Detaillierte Beschreibung von Anwendungsarten der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung haben identische, ähnliche oder äquivalente Teile der verschiedenen Figuren dieselben Bezugszeichen. Derart, indem Bezug auf vorangehende Figuren genommen wird, kann man auf die Wiederholung der Beschreibung schon erwähnter Elemente verzichten.
Der Sigma-Delta-Modulator 100 der 2 umfasst zwischen einem Eingang E und einem Ausgang S in Reihenfolge einen ersten Resonator 110a, einen zweiten Resonator 110b, gestrichelt dargestellt, und einen Analog-Digital-Wandler 120. Eine Rückkopplungsschleife 140 verbindet den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 120 mit dem Eingang 112 des ersten Resonators 110a. Ein Operator 130, gestrichelt dargestellt, kann dem Modulator eventuell zugeordnet werden, um einen Sigma-Delta-Modulator zu bilden.
Ein mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers 142 gebildetes analoges Rückkopplungssignal wird über einen Verstärker 144a in den Eingang 112 eingespeist. Ein Addierer 150 dient dazu, das Rückkopplungssignal und ein eventuelles Eingangssignal zu addieren, das in den Eingang E des Sigma-Delta-Modulators eingespeist wird.
Der erste Resonator 110a ist zum Beispiel ein optischer, akustischer oder mechanischer Resonator. Er umfasst ein erstes Interface 112, das dazu dient, ein elektrisches Eingangssignal und/oder ein elektrischen Rückkopplungssignal in ein mechanisches, elektrisches oder optisches Signal umzuwandeln. Umgekehrt ist ein zweites Interface 114, angeordnet am Ausgang des Resonators 110a, dazu vorgesehen, ein physikalisches Resonanzsignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, in Richtung des Analog-Digital-Wandlers 120. Die Interfaces 112 und 114 sind zum Beispiel ein akustischer Transducer bzw. Wandler des Typs Lautsprecher und ein Mikrophon, wenn der Resonator 110a ein akustischer Hohlraum bzw. Resonator ist. Ein Beispiel eines mit einem solchen Hohlraum bzw. Resonator ausgestatteten Modulators wird in der Folge detaillierter betrachtet.
Wenn der Resonator vom elektrostatischen oder elektromechanischen Typ ist, das heißt wenn er durch ein elektrisches Signal angeregt werden kann, entfallen die Interfaces 112 und/oder 114.
Der zweite Resonator 110b, gestrichelt dargestellt, kann ein dem ersten Resonator vergleichbarer Resonator sein oder eventuell ein elektrischer Resonator. Er ermöglicht, die Ordnung des Sigma-Delta-Modulators und folglich seine Leistungen zu erhöhen. Ein Zweig der Rückkopplungsschleife 140, versehen mit einem Verstärker 144b, ist mit einem Eingang des zweiten Resonators verbunden. Das Rückkopplungssignal und das Ausgangssignal des ersten Resonators werden durch einen Addierer 152 addiert.
Es sei präzisiert, dass der zweite Resonator 110b und folglich der zweite Verstärker 144b weggelassen werden können. Sie können ebenfalls durch eine größere Anzahl Resonatoren ersetzt werden, verbunden gemäß demselben Schaltplan, in Reihe mit dem ersten Resonator 110a.
Je nach vorgesehener Verwendung des Sigma-Delta-Modulators können verschiedene Arten von Signalen in den Eingang E eingespeist werden. Bei einer Verwendung als Analog-Digital-Wandler kann man zum Beispiel ein analoges Signal oder eine einfache in Digitalwerte umzuwandelnde Spannung einspeisen. Bei einer Verwendung als Signalgenerator oder als Messvorrichtung kann in den Eingang E ein Anregungssignal eingespeist werden, das dazu bestimmt ist, eine Schwingung zu unterhalten. Schließlich ist es noch möglich, in den Eingang E kein äußeres Signal einzuspeisen.
Der Resonator 110a kann nämlich als freier Oszillator verwendet werden. In diesem Fall ist eine Rückkopplungsschleife 160, zum Beispiel ausgerüstet mit einem Verstärker 162, zwischen dem Ausgang des Resonators und seinem Eingang geschaltet. Die Rückkopplungsschleife 160, in der 2 gestrichelt dargestellt, ist mit dem Addierer 150 vor dem Resonator 110a verbunden.
Eine Regelschleife 170, ebenfalls gestichelt dargestellt, kann zwischen dem Ausgang S und dem Eingang E vorgesehen sein, um den Betrieb des Sigma-Delta-Modulators zu stabilisieren. Eine solche Schleife kann insbesondere dazu dienen, die Amplitude des Ausgangssignals zu stabilisieren, wenn der Sigma-Delta-Modulator als Signalgenerator benutzt wird. Im Beispiel der 2 ist die Regelschleife mit einem Regler 172 mit einem Einstellwert-Eingang K ausgestattet, um einen Vergleich zwischen einer Charakterstik des am Ausgang S verfügbaren Ausgangssignals und einer Charakteristik des an dem Einstellwert-Eingang K angelegten Einstellwert durchzuführen. Es handelt sich zum Beispiel um einen für eine Oszillationsamplitude repräsentativen Einstellwert. Der Regler 172 kann außerdem Filtereinrichtungen umfassen.
Man sieht, dass bei der in der 2 dargestellten speziellen Ausführung die Regelschleife 170 nicht direkt mit dem Eingang E verbunden ist. Ein Multiplizierer 173 empfängt die Ausgänge des Reglers 172 und des Verstärkers 162, um sie zu vor der Einspeisung in den Eingangsaddierer 150 zu multiplizieren. Wenn der Verstärker 162 einen Komparator mit logischem 0- oder 1-Ausgang umfasst, läuft die Multiplikation darauf hinaus, dass das Signal des Reglers an den Eingang angelegt wird oder nicht.
Die 3 zeigt ein anderes Beispiel eines erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulators. Bei diesem Beispiel geht man davon aus, dass der Resonator 110 ein mechanischer Resonator ist, dessen Eingang für eine Kraft oder eine Beschleunigung ā empfindlich ist. Der Resonator ist an seinem Ausgang mit einem Interface 114 verbunden, das fähig ist, ein mechanisches Resonanzsignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das elektrische Signal wird anschließend in einen Analog-Digital-Wandler 120 umgewandelt.
Im Gegensatz zu der Vorrichtung der 2 ist das in den Eingang E des Sigma-Delta-Modulators eingespeiste Signal kein elektrisches Signal, so dass ein dem Interface 112 der 2 vergleichbares Interface nicht nötig ist. Hingegen umfasst die Rückkopplungsschleife 140 des Sigma-Delta-Modulators der 3 zusätzlich zu dem Digital-Analog-Wandler 142 ein Interface 146, fähig ein analoges elektrisches Signal, geliefert durch den Digital-Analog-Wandler 142, in ein mechanisches Signal, zum Beispiel eine Beschleunigung, umzuwandeln, das kompatibel ist mit dem Anregungseingang des Resonators. Zwischen dem Digital-Analog-Wandler 142 und dem Interface 146 kann ein Verstärker 144 vorgesehen werden.
Man kann außerdem feststellen, dass der Sigma-Delta-Modulator der 3 nur einen einzigen Resonator 110 umfasst.
Die in der Folge beschriebene 4 zeigt eine spezielle Ausführung eines erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulators, bei dem der Resonator ein akustischer Gyrometer mit einem Hohlraum aus Silicium ist. Eine Beschreibung eines akustischen Gyrometers findet man zum Beispiel in dem weiter oben erwähnten Dokument (7).
In der 4 ist der Hohlraum mit 110a bezeichnet, analog zur 2. Er bildet in Wirklichkeit einen Resonator mit einem mechanischen Eingang, noch genauer einem akustischen Eingang, und ebenfalls einem akustischen Ausgang. Ein erstes Interface 112, dargestellt in Form eines Lautsprechers, ist ein Transducer bzw. Wandler, der fähig ist, ein von einem Eingangs-Addierer 150 stammendes elektrisches Signal umzuwandeln in ein in den Hohlraum, das heißt den Resonator 110a eingespeistes akustisches Signal.
Am Ausgang des Hohlraums spielt ein kapazitives Mikrophon 114, verbunden mit einem Verstärker, die umgekehrte Rolle. Es wandelt ein akustisches Signal des Hohlraums um in ein elektrisches Signal, das dazu bestimmt ist, in einem Analog-Digital-Wandler 120 eingespeist zu werden.
Eine positive Rückkopplungsschleife 160, ausgestattet mit einem Verstärker 162, eventuell verbunden mit einem nicht dargestellten Komparator, ermöglicht die Wiedereinspeisung eines Teils des durch das Mikrophon 114 gelieferten Signals in den Eingang des Hohlraums 110a über den Wandler 112. Diese Rückkopplung ermöglicht, den Resonator in einen freien Oszillator zu verwandeln.
Der oben genannte Analog-Digital-Wandler 140 sowie ein Digital-Analog-Wandler 142 der Rückkopplungsschleife 140 können 1-Bit-Wandler sein. Außerdem ist ein zweiter elektronischer Resonator 110b in Reihe mit dem akustischen Gyrometer geschaltet. Die Beschreibung dieser Elemente wird hier nicht wiederholt. Man kann sich auf die in Verbindung mit der 2 gegebene Beschreibung beziehen.
Der Ausgang des Anaolg-Digital-Wandlers 120 ist mit einem Ausgangsoperator 130 verbunden, der ein analoges Filter umfasst, fähig den pulsdichte-modulierten digitalen Ausgang in ein zum Beispiel sinusförmiges Ausgangssignal umzuwandeln. Diese Verwendung des Sigma-Delta-Modulators ist zum Beispiel die eines Signalgenerators.
Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 120 ist auch mit einer Regelschleife 170 verbunden, die mit dem Eingang des ersten Resonators 110a verbunden ist, um die Amplitide des Ausgangssignals zu stabilisieren. Außerdem gewährleistet die Schleife 160 eine Frequenzstabilisierung.
Die Regelschleife umfasst zum Beispiel ein Dezimator-Filter 172, um das in einem Bit codierte modulierte Signal des Analog-Digital-Wandlers 120 umzuwandeln in ein in mehreren Bits codiertes Signal. Auf den Dezimator folgt ein PID-Regler 174, der ermöglicht, eine Differenz zwischen dem Ausgangssignal – oder einer Charakteristik dieses Signals – und einer Einstellwert zu minimieren, der die zu erreichende Amplitude darstellt. Der Ausgang des PID-Reglers wird zum Signal der Rückkopplungsschleife 160 addiert oder mit diesem Signal multipliziert. Zu diesem Zweck ist ein Addierer 154 oder ein Multiplizierer vorgesehen. Die Realisierung der Vorrichtung mit einem Multiplizierer ist kostengünstig und effizient.
Die 5 zeigt die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sigma-Delta-Modulators für die Kontrolle der Resonanzabstimmung eines Resonators. Im Falle der Vorrichtung der 6 ist der Resonator 110a ein elektrooptischer Modulator. Der Resonator hat zwei Eingänge. Ein erster optischer Eingang ist mit einem HeNe-Anregungslaser 190 verbunden, der mit dem Resonator durch ein optisches System 192 gekoppelt ist, das durch ein Prisma, einen Polarisator und eine Linse gebildet wird. Ein zweiter Eingang ist ein elektrischer Eingang, verbunden mit dem Eingang E des Sigma-Delta-Modulators durch eine Anpassungsschaltung 194 und einen Verstärker 196. Der optische Ausgang des Resonators ist mit dem Analog-Digital-Wandler 120 verbunden durch eine optoelektronisches Interface 114 in Form eines Fabry-Perot-Interferometers, dem eine Photodiode und ein Verstärker zugeordnet sind, die nicht bezeichnet bzw. dargestellt sind.
Bei dieser speziellen Ausführung des Sigma-Delta-Modulators ist die Rückkopplungsschleife 140 durch einen Addierer 150 mit dem elektrischen Eingang des Resonators verbunden.
Bei dieser Anwendung wird der Resonator – das heißt der elektrooptische Modulator – zur Kontrolle der Modulationsfrequenz des optischen Signal benutzt.
Eine vollständigere Beschreibung eines elektrooptischen Modulators des in dem Sigma-Delta-Modulators der 6 verwendeten Typs findet man in dem Dokument (9).
Ein letztes spezielles Anwendungsbeispiel der Erfindung zeigt die 6. In dieser 6 sieht man ein System mit zwei gekoppelten Sigma-Delta-Modulatoren 100, 200. Diese Art von Vibrationsgyrometer bzw. Schwingkreisel wird als ein System mit zwei gekoppelten mechanischen Oszillatoren verwendet. Die Oszillatoren dienen als Resonator für die Sigma-Delta-Modulatoren. Die Bewegung des zur Anregung benutzten ersten mechanischen Oszillators wird auf den zweiten, zur Detektion benutzten Oszillator übertragen mittels einer durch die Corioliskraft bewirkten Kopplung, wie oben beschrieben. Die Detektion betrifft eine Rotationswinkelgeschwindigkeit.
Die Corioliskräfte, mit F_coriolis bezeichnet, können folgendermaßen ausgedrückt werden: F coriolis = 2*m*V⋀Ω
In diesem Ausdruck bezeichnen m die Masse des ersten mechanischen Oszillators 110a, V die Geschwindigkeit des ersten mechanischen Oszillators und Ω die zu messende Rotationsgeschwindigkeit. Man leitet Ω von der Messung der Bewegung des zweiten Oszillators ab.
Jede Veränderung der Anregung, das heißt der Geschwindigkeit V, findet sich in dem Detektionssignal wieder. Man misst die Geschwindigkeit V, um die Detektion zu demodulieren.
Für eine bestimmte Rotationsgeschwindigkeit ist das Ausgangssignal maximal, wenn der zweite Oszillator 210a mit seiner Resonanzfrequenz schwingt und der erste Oszillator eine maximale Geschwindigkeit aufweist. Obgleich nicht unbedingt erforderlich, ist es also vorteilhaft, wenn die beiden Oszillatoren mit einer gleichen oder ähnlichen Resonanzfrequenz gewählt werden, das heißt zum Beispiel um einige Hertz verschieden.
Die Oszillatoren des Vibrationsgyrometers bzw. Schwingkreisels können auf dem Umweg über Kondensatoren elektrostatisch gesteuert werden. Das Ausgangssignal kann in gleicher Weise durch die Messung der Veränderung der Kondensatorkapazität ermittelt bzw. realisiert werden.
Schließlich sind das Eingangs- und Ausgangssignal der Resonatoren – im vorliegenden Fall Oszillatoren – elektrische Signale. Nicht dargestellte Kondensatoren dienen als Interface und verwandeln die elektrische Leistung in elektrostatische Kräfte und folglich in mechanische Verschiebung, und umgekehrt.
In der nachfolgenden Beschreibung werden dieselben Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Figuren verwendet, um die Elemente des ersten Sigma-Delta-Modulators zu bezeichnen, und um ähnliche oder äquivalente Elemente des zweiten Modulators zu bezeichnen, werden diese Bezugszeichen um 100 erhöht.
Der erste Sigma-Delta-Modulator 100 umfasst einen Resonator 110a, der – einer Rückkopplungsschleife 160 mit einem Verstärker 162 zugeordnet – den ersten, sogenannten Anregungsoszillator bildet. Dieser wird auf seine eigene Resonanzfrequenz geregelt. Man kann feststellen, dass die Rückkopplungsschleife 160 eventuell weggelassen werden kann, wenn an den Eingang des ersten Resonators 110a, das heißt an den Addierer 150, ein äußeres Anregungssignal angelegt wird.
Die Rückkopplungsschleife 140 des ersten Sigma-Delta-Modulators 100 umfasst einen Regler 144a mit einem Verschiebungs-Einstellwerteingang. Der Regler 144a ist vergleichbar mit dem Verstärker 144a der 2 und dazu bestimmt, in den Eingang des Anregungsoszillators 110a eine Rückkopplung einzuspeisen. Ein weiterer Verstärker 144b ist für die Rückkopplung eines zweiten elektronischen Resonators 110b vorgesehen.
Das an dem Ausgang S₁ des Analog-Digital-Wandlers 120 verfügbare Signal des ersten Sigma-Delta-Modulators wird in einen nicht dargestellten Ausgangsoperator 130 eingespeist, um die oben genannte Geschwindigkeit V zu ermitteln bzw. zu realisieren.
Gemäß einer Perfektionierung, gestrichelt dargestellt, können eine Rückkopplungsschleife mit Filtern 171 und einem Regler 172 zwischen dem Ausgang S1 und dem Eingang des Resonators 110a geschaltet werden, wobei der Regler 174 ebenfalls einen Einstellwerteingang aufweist.
Der zweite Sigma-Delta-Modulator 200 umfasst einen Resonator 210a, mechanisch mit dem Resonator 110a des ersten Sigma-Delta-Modulators 100 gekoppelt. Die Kopplung ist in der Figur durch eine gestichelte Linie C dargestellt.
Die Bezugszeichen 210b, 220, 240, 242, 244a und 244b bezeichnen den Teilen 110b, 120, 140, 144a und 144b äquivalente Teile, die weiter oben in Verbindung mit der 2 schon beschrieben worden sind. Ihre Beschreibung wird hier nicht wiederholt.
Der Ausgang S₂ des Analog-Digital-Wandlers 220 des zweiten Sigma-Delta-Modulators 200 wird ebenfalls in einen Operator 230 eingespeist, um ein für die Corioliskraft repräsentatives Ausgangssignal zu liefern.
Ein Rechner kann vorgesehen werden, um aus der Größe der Corioliskraft und der Geschwindigkeit V die weiter oben genannte Rotationsgeschwindigkeit Ω zu ermitteln.
Genannte Dokumente

(1) "Multi-purpose interface for sensor systems fabricated by CMOS technology with postprocessing", Carlos Azeredo Leme and Henry Baltes, Sensors and Actuators A. 37–38 (1993) 77–81, © 1993, Elsevier Sequoia
(2) "A 2.5 MHz 55 dB Switched-current BandPass ΣΔ Modulator for AM Signal Conversion",
(3) "A 10.7-MHz N-Path forth-Order Bandpass Sigma-Delta Modulator" Fabrizio Francesconi, Valentino Liberali und Franco Maloberti, Micronova Sistemi S. r. l. ESSCIRC'96, Seiten 156–159
(4) "An Eight-Order BandPass ΣΔ Modulator for A/D Conversion in Digital Radio", Loai Louis, John Abcarius und Gordon W. Roberts, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Vol. 34, Nr. 4, April 1999.
(5) "An Invertigation of Bandpass Sigma-Delta A/D Converters" Yvan Botteron und Behrouz Nowrouzian, 1997 IEEE, Proceedings of the Midwest Symposium on circuits and systems, Vol. 1, SS. 293.6
(6) "BandPass Sigma-Delta Modulator for wideband IF signals" Luca Daniel, Marco Sabatini, BandPass Sigma-Delta Modulatorr for wideband IF signals, 10. Juni 1999.
(7) "Preliminary Results on a Silicon Gyrometer Based on Acoustic Mode Coupling in Small Cavities" Tarik Bourouina, Anne Exertier, Serge Spirkovitch, Bernard Chaumet und Eric Pleska, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, Vol. 6, Nr. 4, Dezember 1997.
(8) "OPTICAL SYSTEM FOR PRESSURE AND TEMPERATURE SENSING" K. Seibert, d. Largeau, B. Bonvalot und D. T. Angelidis, P. Parsons, The 7th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators.
(9) "RESONANTLY ENHANCED RADO FREQUENCY ELECTROOPTIC PHASE MODULATOR" Chi Man Shum und Edward A. Whittaker, APPLIED OPTICS, Vol. 29, Nr. 3, 20. Januar 1990.
(10) An Integrated CMOS Micromechanical Resonator High-Q "Oscillator, de Clark T.-C Nguyen, Member, IEEE und Roger T. Howe, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCIUTS, Vol. 34, Nr. 4, April 1999, © 1999 IEEE.
(11) High-Accuracy circuits for On-chip Capacitance Ratio Testing or Sensor Readout, Yumin Cao und Gabor C. Temes, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS-II: ANALOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSINGS, Vol. 41, Nr. 9, September 1994, © 1994 IEEE.
(12) WO-98/27402

Claims

Sigma-Delta-Modulator, umfassend: – wenigstens einen Resonator (110, 110a, 110b), – einen Konverter (120) zur Umwandlung eines von dem Resonator stammenden analogen Signals in ein digitales Zeitinformationssignal, und – eine Rückkopplungsschleife (140), die einen Ausgang des Konverters mit einem Anregungseingang des Resonators verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Resonator (110, 110a) des Modulators ein aus der Gruppe ausgewählter Resonator ist, welche die mechanischen, akustischen, elektromechanischen, elektrostatischen, optischen, chemischen Resonatoren umfasst, wobei der Resonator einen mechanischen, optischen oder akustischen Anregungseingang aufweist und die Rückkopplungsschleife mit dem Anregungseingang jeweils durch eine elektromechanische Schnitt- bzw. Kopplungsstelle, eine elektroakustische Kopplungsstelle oder eine elektrooptische Kopplungsstelle des Signals verbunden ist.
Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1, bei dem der Resonator (110a) ein freier Oszillator ist und eine Rückkopplungsschleife (160) umfasst, die einen Ausgang des Resonators mit einem Anregungseingang des Resonators verbindet.
Modulator nach Anspruch 1 mit einer Regelungsschleife (170), die einen Ausgang des Modulators mit einem Anregungseingang des Resonators verbindet.
Sigma-Delta-Konverter mit einem Modulator nach Anspruch 1 und Bandpassfiltereinrichtungen (130), verbunden mit einem Ausgang des Modulators.
Analog-Digitalumwandlungsvorrichtung eines Signals mit einem analogen Signaleingang (E) und einem Sigma-Delta-Konverter nach Anspruch 4, wobei der analoge Signaleingang mit dem Anregungseingang des Resonators verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher der analoge Eingang mit dem Anregungseingang durch eine elektromechanische oder elektrooptische Kopplungsstelle (112) verbunden ist.
Signalgenerator mit einem Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1, bei dem wenigstens ein erster Resonator (110a) ein freier Oszillator ist.
Messvorrichtung einer physikalischen Größe, einen für die genannte physikalische Größe empfindliche Detektionsresonator und einen diesen Detektionsresonator enthaltenden Sigma-Delta-Modulator nach Anspruch 1 umfassend.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der Detektionsresonator (110a, 210a) ein freier Oszillator ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, Anregungseinrichtungen des Detektionsresonators (210a) umfassend, mit einem zweiten Resonator, Anregungsresonator genannt, gekoppelt mit dem Detektionsresonator.
Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einem den Anregungsresonator enthaltenden zweiten Sigma-Delta-Modulator.
Messvorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der Detektionsresonator mit dem Anregungsresonator durch eine physikalische Größe gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der die physikalische Größe eine Corioliskraft ist.
Verwendung eines Sigma-Delta-Modulators nach Anspruch 1 in einer Vorrichtung, ausgewählt unter einem Analog-Digitalkonverter, einem Detektor einer physikalischen Größe und einem Signalgenerator.