DE69029751T2

DE69029751T2 - Digital-Analogwandler

Info

Publication number: DE69029751T2
Application number: DE69029751T
Authority: DE
Inventors: Takashi Kanai; Toshihiko Masuda; Masaaki Ueki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1989-02-14
Filing date: 1990-02-14
Publication date: 1997-05-15
Anticipated expiration: 2010-02-15
Also published as: JPH02214224A; EP0383689A2; US5021788A; DE69029751D1; EP0383689A3; EP0383689B1

Description

Die Erfindung betrifft einen PWM(Pulsbreitenmodulations)-Digital-Analogwandler zur Umsetzung digitaler Eingangsdaten in eine pulsbreitenmodulierte Pulsform zur Konvertierung in entsprechende analoge Signale.
Allgemein bekannt sind verschiedene Typen von Digital-Analogwandlern zur Konvertierung digitaler Eingangssignale in entsprechende analoge Signale, wie das Pulsbreitenmodulations- oder PWM-System der Umsetzung digitaler Eingangsdaten in eine pulsbreitenmodulierte Pulsform oder das Pulsamplitudenmodulations- oder PAM-System der Umsetzung digitaler Eingangsdaten in eine pulsamplitudenmodulierte Pulsform zur Konvertierung in entsprechende analoge Signale.
Andererseits werden in Verarbeitungssystemen digitaler Audiosignale, wie CD oder DAT, als Technik zur Verminderung des Quantisierungsrauschens bei der Decodierung analoger Audiosignale von digitalen Daten eine Überabtastungs-Technik der Umsetzung digitaler Daten mit einer Abtastfrequenz fs gemäß dem Nyquist-Theorem in eine n-fache Abtastfrequenz n fs oder eine Rauschformungstechnik des Änderns der Frequenz-Verteilungscharakteristik des Rauschens zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses vorgeschlagen. Wie z. B. in der japanischen Patentveröffentlichung 61-177819 (1986) offenbart wird, werden digitale Daten, die zuvor der oben genannten Überabtastung oder Rauschformung unterzogen wurden, durch einen Digital-Analogwandler in eine analoge Form umgesetzt, um analoge Audiosignale mit einem verminderten Quantisierungs-Rauschpegel zu erzeugen.
Obwohl es inzwischen prinzipiell mit dem oben genannten PAM-Digital-Analogwandler möglich ist, konvertierte analoge Ausgangssignale mit ausgezeichneter Linearität und verringerter Verzerrung zu erzeugen, ist es von Nachteil, daß hochgenaue Widerstandsadditions- oder Stromadditionsschaltungen notwendig sind, die genau mit den Wertigkeiten der digitalen Eingangs-Datenbits rechnen, und daß, wenn eine Verbesserung der Auflösung erwünscht ist, die Schaltungsgröße ansteigt und die Schaltung als Ganzes mit großer Genauigkeit konstruiert werden muß.
Obwohl andererseits die oben genannten PWM-Digital-Analogwandler in ihrer Schaltungsorganisation vereinfacht sind, zeigen die üblichen PWM-Digital-Analogwandler, in denen, wie in Fig. 1 gezeigt, eine pulsbreitenmodulierte Pulsform mit Pulsbreiten W&sub7;, W&sub6;, W&sub5;, W&sub4;, W&sub3;, W&sub2; und W&sub1; entsprechend den 7-wertigen digitalen 3-Bit-Eingangsdaten D&sub7;, D&sub6;, D&sub5;, D&sub4;, D&sub3;, D&sub2; und D&sub1; erzeugt und von Hochfrequenzanteilen in einem Tiefpaßfilter befreit wird, um analoge Ausgangssignale zu erzeugen, den Nachteil, daß, wie in dem Spektrum von Fig. 2 gezeigt ist, welches die Ergebnisse der FFT(Fourier)-Analyse der aus dem sinusförmigen Signal von 10 kHz erzeugten pulsbreitenmodulierten Pulsform darstellt, die Verzerrungskomponenten geradzahliger Ordnung, insbesondere die Verzerrungskomponenten HD zweiter Ordnung verstärkt sind.
Die US-Patentschrift 4 542 371 beschreibt einen Digital-Analogwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, welcher der Verminderung der zweiten harmonischen Verzerrungskomponente im analogen Ausgangssignal angepaßt ist.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen PWM-Digital-Analogwandler vorzusehen, in dem die Verzerrungskomponenten geradzahliger Ordnung reduziert werden können.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Digital-Analogwandler von vereinfachtem Schaltungsaufbau vorzusehen, der einen geringen Verzerrungsfaktor und eine ausgezeichnete Konvertierungscharakteristik besitzt.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung vorzusehen, in der ein decodiertes Ausgangssignal mit verminderter Verzerrung in einem Decodierungskreis eines Verarbeitungssystems digitaler Audiosignale erzeugt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Digital-Analogwandler vorgesehen mit einem ersten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator zur Erzeugung einer den digitalen Eingangsdaten entsprechenden pulsbreitenmodulierten Pulsform;
einem zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator zur Erzeugung einer zweiten dem Komplement der digitalen Eingangsdaten entsprechenden pulsbreitenmodulierten Pulsform;
einem Differentialverstärker zur Ableitung einer Differentialkomponente der von dem ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator ausgegebenen ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformen; und
einem Filter zur Ausgabe eines analogen Ausgangssignales, welches frei von Hochfrequenzanteilen der von dem Differentialverstärker ausgegebenen Differentialpulsform ist;
wobei eine Differentialkomponente zwischen den den digitalen Eingangsdaten und den Komplementärdaten der digitalen Eingangsdaten entsprechenden pulsbreitenmodulierten Pulsformen von dem Differentialverstärker ausgegeben und von Hochfrequenzanteilen befreit wird, um analoge Ausgangssignale zu erzeugen;
dadurch gekennzeichnet, daß
der zweite pulsbreitenmodulierte Pulsformgenerator zur Erzeugung der dem Zweierkomplement der digitalen Eingangsdaten entsprechenden zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsform angepaßt ist;
ein erster Tiefpaßfilter zwischen dem ersten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator und dem Differentialverstärker vorgesehen ist; und
ein zweiter Tiefpaßfilter zwischen dem zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator und dem Differentialverstärker vorgesehen ist.
Somit wird mit dem Digital-Analogwandler gemäß der vorliegenden Erfindung eine Differentialkomponente zwischen der den durch den ersten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator erzeugten digitalen Eingangsdaten entsprechenden tiefpaßgefilterten pulsbreitenmodulierten Pulsform und der den durch den zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator erzeugten Zweierkomplementärdaten der digitalen Eingangsdaten entsprechenden tiefpaßgefilterten pulsbreitenmodulierten Pulsform von dem Differentialverstärker ausgegeben und die durch den Differentialverstärker erzeugte Differential-Ausgangaspulsform durch einen Filter von Hochfrequenzanteilen befreit, um analoge Ausgangssignale zu erzeugen. Auf diese Weise können die Verzerrungskomponenten geradzahliger Ordnung vermindert werden, um den Verzerrungsfaktor zu verbessern.
Die oben genannten und weitere Aufgaben sowie neue Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen ersichtlich.
Fig. 1 ist ein Pulsformdiagramm und zeigt die PWM-Pulsform in einem üblichen PWM-Digital- Analogwandler.
Fig. 2 zeigt das Spektrum mit den Ergebnissen der FFT-Analyse der in Fig. 1 gezeigten PWM- Pulsform.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Decodierungssystems digitaler Daten, auf das der Digital- Analogwandler gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Fig. 4 ist ein Pulsformdiagramm und zeigt die pulsbreitenmodulierte Pulsform eines ersten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerators, der einen Teil des Digital-Analogwandlers aus Fig. 3 bildet.
Fig. 5 ist ein Pulsformdiagramm und zeigt die pulsbreitenmodulierte Pulsform eines zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerators, der einen Teil des Digital-Analogwandlers aus Fig. 3 bildet.
Fig. 6 ist ein Pulsformdiagramm und zeigt die Differential-Ausgangspulsform des Differentialverstärkers, der einen Teil des Digital-Analogwandlers aus Fig. 3 bildet.
Fig. 7 zeigt ein Spektrum mit den Ergebnissen der FFT-Analyse der Differential- Ausgangspulsform des Differentialverstärkers aus Fig. 6.
Anhand der Zeichnungen wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Analog- Digitalwandlers der vorliegenden Erfindung im Detail erklärt.
In einem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die vorliegende Erfindung auf ein Decodierungssystem in einem Verarbeitungssystem digitaler Audiosignale angewendet, in dem einem Überabtastungskreis 2 über einen Eingang 1 digitale 16-Bit-Wiedergabe-Audiodaten DIN zugeführt werden.
Der Überabtastungskreis 2 führt eine Überabtastung an den digitalen Wiedergabe-Audiodaten DIN zur Konvertierung derselben in digitale Daten einer Frequenz von 64 fs durch, welche das 64-fache der Abtastfrequenz fs beträgt, und übermittelt die digitalen Überabtastungsdaten einem Rauschformungskreis 3.
Der Rauschformungskreis 3 führt eine Rauschformung an den digitalen 16-Bit- Überabtastungsdaten aus dem Überabtastungskreis 2 zur Rundung derselben in 7-wertige digitale 3-Bit-Daten durch, um den Quantisierungsfehler zu beseitigen, und übermittelt die 7- wertigen digitalen 3-Bit-Rauschformungsdaten an einen Digital-Analogwandler 4 der vorliegenden Erfindung.
Der Digital-Analogwandler 4 ist aus einem ersten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator 41 zur Erzeugung einer den 7-wertigen digitalen 3-Bit-Eingangsrauschformungsdaten des Rauschformungskreises 3 entsprechenden pulsbreitenmodulierten Pulsform PWM&sub1;, einem Zweierkomplementärwandler 42 zur Konvertierung der digitalen Eingangsdaten in Zweierkomplementärdaten, einem zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator 43 zur Erzeugung einer pulsbreitenmodulierten Pulsform PWM&sub2;, einem Differentialverstärker 46, an dessen Eingang pulsbreitenmodulierte Pulsformausgangssignale der ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgeneratoren 41, 43 über Tiefpaßfilter 44 bzw. 45 anliegen, und einem Tiefpaßfilter 47 zur Beseitigung eines Hochfrequenzanteils der Differential-Ausgangspulsform des Differentialverstärkers 46 aufgebaut.
Der erste pulsbreitenmodulierte Pulsformgenerator 41 erhält 7-wertige digitale 3-Bit- Eingangsdaten aus dem Rauschformungskreis 3 und erzeugt, in Übereinstimmung mit einem Taktgeber CKMS, eine pulsbreitenmodulierte Pulsform PWM&sub1; mit den Pulsbreiten W&sub1;&sub7;, W&sub1;&sub6;, W&sub1;&sub5;, W&sub1;&sub4;, W&sub1;&sub3;, W&sub1;&sub2; und W&sub1;&sub1;, die den digitalen Eingangsdaten entsprechen und, wie in Fig. 4 gezeigt, bezüglich einem mittleren Zeitpunkt ts einer Abtastperiode Ts symmetrisch sind.
Der zweite pulsbreitenmodulierte Pulsformgenerator 43 erzeugt in Übereinstimmung mit dem Taktgeber CKMS eine pulsbreitenmodulierte Pulsform PWM&sub2; mit den Pulsbreiten W&sub2;&sub7;, W&sub2;&sub6;, W&sub2;&sub5;, W&sub2;&sub4;, W&sub2;&sub3;, W&sub2;&sub2; und W&sub2;&sub1;, die den Zweierkomplementärdaten der digitalen Eingangsdaten D&sub7;, D&sub6;, D&sub5;, D&sub4;, D&sub3;, D&sub2; und D&sub1; aus dem Zweierkomplementärwandler 42 entsprechen und bezüglich des mittleren Zeitpunktes ts einer Abtastperiode Ts symmetrisch sind.
Somit erhalten die ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgeneratoren 41, 43 die digitalen Eingangsdaten D&sub7;, D&sub6;, D&sub5;, D&sub4;, D&sub3;, D&sub2; und D&sub1; und erzeugen, in Übereinstimmung mit dem Taktgeber CKMS, pulsbreitenmodulierte Pulsformen PWM&sub1; und PWM&sub2;, die durch W&sub1;&sub7; = W&sub2;&sub1;, W&sub1;&sub6; = W&sub2;&sub2;, W&sub1;&sub5; = W&sub2;&sub3;, W&sub1;&sub4; = W&sub2;&sub4;, W&sub1;&sub3; = W&sub2;&sub5;, W&sub1;&sub2; = W&sub2;&sub6; und W&sub1;&sub1; = W&sub2;&sub7; definierte Pulsbreiten aufweisen und bezüglich des mittleren Zeitpunktes ts einer Abtastperiode Ts symmetrisch sind.
Die pulsbreitenmodulierten Pulsformausgangssignale PWM&sub1; und PWM&sub2; aus dem ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator 41, 43 werden über Tiefpaßfilter 44, 45 dem Eingang des Differentialverstärkers 46 zugeführt, von dem, wie in Fig. 6 gezeigt, ein differentielles Ausgangssignal PWM&sub0; für die digitalen Eingangsdaten D&sub7;, D&sub6;, D&sub5;, D&sub4;, D&sub3;, D&sub2; und D&sub1; als ein differentielles Ausgangssignal zwischen den pulsbreitenmodulierten Pulsformen PWM&sub1; und PWM&sub2; erzeugt wird.
Die Tiefpaßfilter 44, 45 erzeugen eine Begrenzung der Schrägen der ansteigenden und abfallenden Kanten der pulsbreitenmodulierten Pulsformausgangssignale PWM&sub1; und PWM&sub2; aus dem ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator 41, 43 auf eine der Antwortgeschwindigkeit des Differentialverstärkers 46 entsprechende Schräge. Auf diese Tiefpaßfilter 44, 45 kann im Prinzip verzichtet werden, wenn ein Differentialverstärker 46 mit idealen Arbeitscharakteristiken eingesetzt wird.
Dieser Digital-Analogwandler 4 beseitigt den Hochfrequenzanteil der differentiellen Ausgangspulsform PWM&sub0; des Differentialverstärkers 46 mittels des Tiefpaßfilters 47, um ein analoges Ausgangssignal SOUT am Signalausgang 5 auszugeben, welches den digitalen Eingangsdaten D&sub7;, D&sub6;, D&sub5;, D&sub4;, D&sub3;, D&sub2; und D&sub1;, d. h. den am Eingang 1 anliegenden digitalen 16-Bit- Wiedergabe-Audiodaten DIN entspricht.
Wie in dem Spektrum von Fig. 7 gezeigt, welches die Ergebnisse der durch den Differentialverstärker 45 aus sinusförmigen digitalen Daten von 10 kHz erhaltenen FFT-Analysen der Differential-Ausgangspulsform PWM&sub0; darstellt, kann mit dem Digital-Analogwandler 4 des vorliegenden Ausführungsbeispieles die Pulsformverzerrung geradzahliger Ordnung, insbesondere zweiter Ordnung, vermindert werden, um einen Digital-Analogwandler von einfachem Aufbau mit geringem Verzerrungsfaktor und vorzüglicher Konvertierungscharakteristik zu verwirklichen.
Mit dem Digital-Analogwandler 4 des vorliegenden Ausführungsbeispieles werden die digitalen Eingangsdaten mittels der Zweierkomplementärschaltung 42 dem zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator 43 zugeführt. Jedoch kann sowohl der erste als auch der zweite pulsbreitenmodulierte Pulsformgenerator 41, 43 aus einen Tabellenspeicher aufgebaut werden, in dem, wie in Tabelle 1 gezeigt, die pulsbreitenmodulierten Pulsformdaten PWM&sub1; und PWM&sub2; der verschiedenen Pulsbreiten mit den digitalen Eingangsdaten D&sub7;, D&sub6;, D&sub5;, D&sub4;, D&sub3;, D&sub2; und D&sub1; als Ausgabeadressen im Voraus gespeichert sind, während die pulsbreitenmodulierten Pulsformen PWM&sub1; und PWM&sub2; direkt aus den digitalen Eingangsdaten D&sub7;, D&sub6;, D&sub5;, D&sub4;, D&sub3;, D&sub2; und D&sub1; durch den ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator 41 und 43 gebildet werden können. Tabelle 1

Claims

1. Digital-Analogwandler mit

einem ersten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator (41) zur Erzeugung einer ersten den digitalen Eingangsdaten entsprechenden pulsbreitenmodulierten Pulsform;

einem zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator (42, 43) zur Erzeugung einer dem Komplement der digitalen Eingangsdaten entsprechenden pulsbreitenmodulierten Pulsform;

einem Differentialverstärker (46) zur Ableitung einer Differentialkomponente der von dem ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Signalgenerator ausgegebenen ersten und zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformen; und

einem Filter (47) zur Ausgabe eines analogen Ausgangssignales, welches frei von Hochfrequenzanteilen der von dem Differentialverstärker ausgegebenen Differentialpulsform ist;

wobei eine Differentialkomponente zwischen den den digitalen Eingangsdaten und den Komplementärdaten der digitalen Eingangsdaten entsprechenden pulsbreitenmodulierten Pulsformen von dem Differentialverstärker ausgegeben und von Hochfrequenzanteilen befreit wird, um analoge Ausgangssignale zu erzeugen;

dadurch gekennzeichnet, daß

der zweite pulsbreitenmodulierte Pulsformgenerator (42, 43) zur Erzeugung der zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsform entsprechend dem Zweierkomplement der digitalen Eingangsdaten angepaßt ist;

ein erster Tiefpaßfilter (44) zwischen dem ersten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator (41) und dem Differentialverstärker (46) vorgesehen ist; und

ein zweiter Tiefpaßfilter (45) zwischen dem zweiten pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator (42, 43) und dem Differentialverstärker (46) vorgesehen ist.

2. Digital-Analogwandler nach Anspruch 1,

wobei der zweite pulsbreitenmodulierte Pulsformgenerator eine Zweierkomplement- Konvertierungsschaltung (42) zur Umsetzung digitaler Eingangsdaten in Zweierkomplementärdaten und eine pulsbreitenmodulierte Pulsformgeneratorschaltung (43) aufweist, der das Ausgangssignal der Zweierkomplementär-Konvertierungsschaltung (42) zugeführt wird und die eine pulsbreitenmodulierte Pulsform entsprechend den Zweierkomplementärdaten der digitalen Eingangsdaten erzeugt.

3. Digital-Analogwandler nach Anspruch 1,

wobei der zweite pulsbreitenmodulierte Signalgenerator eine pulsbreitenmodulierte Pulsformgeneratorschaltung mit einem Tabellenspeicher zur Ausgabe von pulsbreitenmodulierten Pulsformdaten entsprechend den Zweierkomplementärdaten der digitalen Eingangsdaten aufweist.

4. Digital-Analogwandler nach Anspruch 1 mit

einer Überabtastungs-Vorrichtung (2), um die digitalen Wiedergabedaten einer Überabtastung zu unterziehen, und

einer Rauschformungs-Vorrichtung (3) zur Beseitigung von Quantisierungsfehlern der Ausgangsdaten aus der Überabtastungs-Vorrichtung (2);

wobei die Wiedergabedaten dem ersten (41) und zweiten (42, 43) pulsbreitenmodulierten Pulsformgenerator als digitale Eingangsdaten mittels der Überabtastungs-Vorrichtung (2) und der Rauschformungs-Vorrichtung (3) zugeführt werden.