DE69516686T2

DE69516686T2 - Überabgetasteter modulator hoher ordnung

Info

Publication number: DE69516686T2
Application number: DE69516686T
Authority: DE
Inventors: Juha Heikkilae; Lauri Lipasti
Original assignee: Atmel Corp
Current assignee: Atmel Corp
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1995-06-01
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2015-06-02
Also published as: NO965198D0; DE69516686D1; CN1150507A; FI96649C; CN1127216C; EP0764368B1; JP3412822B2; EP0764368A1; WO1995034955A1; AU2569695A; FI96649B; KR100373598B1; JPH10501390A; FI942679A0; FI942679A; NO965198L; US5805093A

Description

Bereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen überabgetasteten Modulator hoher Ordnung und besonders einen Sigma-Delta-Modulator.

Hintergrund der Erfindung

Bei Analog-Digital-Wandlern (A/D) und Digital-Analog- Wandlern (D/A), welche die auf Überabtasten und Sigma-Delta- Modulation basierende Noise-Shaping- bzw. Rauschumformungstechnik benützen, wird ein Signal in einem Sigma-Delta- Modulator zu einem oder mehreren Bits mit einer Überabtastfrequenz quantisiert. Das resultierende Quantisierungsrauschen wird auf eine Weise umgeformt, daß der im Frequenzband des tatsächlichen Signalbands verbleibende Anteil des Quantisierungsrauschens so klein wie möglich ist und das Rauschen nach außerhalb des Signalbands verlagert wird. Die Leistungsfähigkeit des Noise-Shaping ist hauptsächlich von der Ordnung und dem Überabtastverhältnis des Noise-Shapers, d. h. des Sigma-Delta-Modulators abhängig. Ein Modulator hoher Ordnung schwächt das Quantisierungsrauschen auf dem Signalband mehr ab als ein Modulator niedriger Ordnung. Ein Modulator hoher Ordnung liefert somit ein besseres Signal- Rausch-Verhältnis auf dem Signalband, aber als Ergebnis davon befindet sich entsprechend mehr Quantisierungsrauschenergie außerhalb des Signalbands. Dieses Quantisierungsrauschen außerhalb des Bands ist jedoch durch Filtern leicht zu entfernen.
Das Verwenden von Modulatoren hoher Ordnung wäre somit von beträchtlichem Vorteil, da sie das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. Ihre Verwendung ist jedoch durch Probleme mit der Stabilität begrenzt.
Wie bekannt, ist ein Modulator niedriger Ordnung, d. h. erster Ordnung ungeachtet des Pegels des Eingangssignals stabil, wie auch ein Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung. Mit Sigma-Delta-Modulatoren hoher Ordnung mit einer Ordnung von drei oder höher sind jedoch ernste Stabilitätsprobleme verbunden. Die Stabilität der Modulatoren hoher Ordnung ist von der Amplitude eines ankommenden Signals abhängig. Nimmt der Modulator eine instabile Betriebsart ein, steigen die Ausgangsspannungen/Ausgabewerte seiner Integratoren abrupt an und der Bitstrom aus dem Ausgang des Modulators beginnt unabhängig vom Eingangssignal zu oszillieren. Der Modulator hoher Ordnung kehrt nicht notwendigerweise in den linearen Arbeitsbereich zurück, auch wenn das Eingangssignal in den stabilen Arbeitsbereich zurückkehren würde.
Eine bekannte Anordnung, die auf das Aufrechterhalten der Stabilität des Modulators abzielt, begrenzt vorsichtig den Spannungsbereich der Integratoren auf den stabilen Arbeitsbereich. Das Problem mit dem Begrenzen des Spannungsbereichs der Integratoren ist die praktische Implementierung, da zusätzliche Beeinflussung erzeugende Schaltungen in der ersten Stufe des Modulators, in der die Empfindlichkeit des Modulators am höchsten ist, vermieden werden sollten.
Das US Patent 5,012,244 beschreibt eine Stabilisierungsschaltung eines Sigma-Delta-Modulators hoher Ordnung, bestehend aus einem Komparator, der wenigstens einen Integrator im Modulator zurücksetzt, wenn er detektiert, daß der Modulator in oder nahe einem instabilen Zustand arbeitet. EP 0512687 A2 oder das entsprechende finnische Patent 88,765 beschreibt eine ähnliche Stabilisierungsschaltung, in der jedoch nur die letzten Integratoren des Modulators zurückgesetzt werden, d. h. die Ordnung des Modulators herabgesetzt wird. Derartiges Zurücksetzen der Integratoren ist ein effektiver Weg, den Modulator aus dem instabilen Modus zurückzuholen, aber es ist auch eine bedeutende Beeinflussung des Betriebs des Modulators vorhanden.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist eine solche Stabilisierung des Modulators, die kein Zurücksetzen der Integratoren erfordert.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen überabgetasteten Modulator hoher Ordnung und besonders einen Sigma-Delta- Modulator, bestehend aus kaskadierten Integratoren in einer der Ordnung des Modulators entsprechenden Anzahl, einem Quantisierer und einer negativen Rückkopplung vom quantisierten Ausgang des Modulators zum Eingang wenigstens eines Integrators, einer Einrichtung zum Detektieren des instabilen Modus des Modulators, und einer Einrichtung zum Zurückversetzen des Modulators in den stabilen Betrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zurückversetzen des Modulators in den stabilen Betrieb eine Einrichtung zum temporären Verändern des Werts der Rückkopplung zu einer Richtung, die den stabilen Betrieb wiederherstellt, umfaßt.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, daß ein Sigma-Delta-Modulator hoher Ordnung auch auf eine solche Weise stabilisiert werden kann, daß der Wert der Rückkopplung der Integratoren im Sigma-Delta-Modulator temporär verändert wird. Dieses Vorgehen ist nicht so effektiv wie das Zurücksetzen einiger oder aller Integratoren, aber es reicht zum Wiederherstellen der Stabilität aus. Außerdem ist die Leistung des Sigma-Delta-Modulators zum Beispiel hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses um so besser, je weniger der Zustand des Modulators verändert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird mittels Beispielen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen in größerer Ausführlichkeit beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Modulators gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform für eine Integratorstufe und ihre Rückkopplung in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Modulators gemäß der Erfindung;
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines dritten Modulators gemäß der Erfindung; und
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines mitgekoppelten Modulators gemäß der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Sigma-Delta-Modulatoren können durch Benützen entweder einer Multiple Feedback (MF) bzw. Mehrfach-Rückkopplungskonfiguration, wie in Fig. 1 bis 4, oder einer Feedforward (FF) bzw. Mitkopplungskonfiguration wie in Fig. 5 implementiert werden. Sowohl ein MF- als auch ein FF-Sigma-Delta- Modulator umfaßt eine Reihenschaltung von n Integratorstufen H&sub1;, H&sub2;, H&sub3;, ..., Hn, wobei n eine positive Ganzzahl ist. Die Ordnung des Modulators ist gleich der Anzahl der Integratorstufen. Ein Modulator bestehend aus wenigstens drei Integratorstufen (ein Modulator dritter Ordnung) wird als Modulator hoher Ordnung bezeichnet. In den MF-Modulatorkonfigurationen von Fig. 1, 3 und 4 wird ein durch einen Rückkopplungskoeffizienten b1 skaliertes Rückkopplungssignal aus dem Ausgang des Modulators in einer Subtrahiereinrichtung 11 von einem Eingangssignal AIN des Modulators subtrahiert, bevor das Signal in die erste Integratorstufe H&sub1; eingespeist wird. Entsprechend umfaßt der Eingang jeder der nachfolgenden Integratorstufen H&sub2;, H&sub3; und H&sub4; eine jeweilige Subtrahiereinrichtung 12, 13 und 14, die ein durch einen jeweiligen Rückkopplungskoeffizienten b2, b3 und b4 skaliertes Rückkopplungssignal vom Ausgangssignal des vorangehenden Integrators subtrahiert und die Differenz an den Eingang der nächsten Integratorstufe anlegt. Der Modulator kann auch Skaliereinrichtungen 16, 17, 18 und 19 beinhalten, die das vom Eingang AIN zu einer Summiereinrichtung 11 gelieferte Signal und das Signal des vorhergehenden Modulators vor den Summiereinrichtungen 12, 13 und 14 skalieren. Die Skalierungskoeffizienten der Skaliereinrichtungen 16, 17, 18 und 19 können zum Beispiel a1 - a2 = a3 = a4 = 1 sein. Zum Zweck des Bildens des vorher erwähnten Rückkopplungssignals umfaßt der Modulator eine Schalteinrichtung 20, die auf der Basis des Modus des digitalen Ausgangssignals DOUT des Quantisierers 15 (und des gesamten Modulators) eine von Referenzspannungen +Vref und -Vref als das Rückkopplungssignal auswählt. Skaliereinrichtungen 21, 22, 23 und 24 skalieren das gewählte Rückkopplungssignal mit den vorher erwähnten Rückkopplungskoeffizi enten b1, b2, b3 und b4. Die Koeffizienten können zum Beispiel die folgenden sein: b1 = 1, b2 = 4, b3 = 16 und b4 = 64.
Gemäß der Erfindung wird ein derartiger MF-Modulator durch Verändern des Werts der negativen Rückkopplung des Modulators stabilisiert, wenn der Modulator in einen instabilen Modus übergeht. Der Wert der Rückkopplung kann auf mehrere unterschiedliche Weisen verändert werden, von denen zwei unten genauer diskutiert werden: 1) einer oder mehrere Rückkopplungskoeffizienten b1, b2, b3 und b4 werden verändert oder 2) die Referenzspannungen +Vref und -Vref werden verändert. Fig. 1 bis 3 stellen den ersten Fall dar. In Fig. 1 überwacht ein Komparator 25 die Ausgangsspannung/den digitalen Wert des letzten Integrators H&sub5; und vergleicht sie/ihn mit einem vorbestimmten Schwellenwert REF. Wird der Schwellenwert überschritten, gibt der Komparator 25 ein Steuersignal 26 aus, das die Koeffizienten b2 und b3 der Skaliereinrichtungen 22 und 23 verändert. Der Komparator 25 kann auch den Ausgang eines anderen Integrators H&sub1;, H&sub2; oder H&sub3; überwachen. Der Modulator kann auch mehrere Komparatoren 25 umfassen, so daß die Ausgaben mehrerer Integratoren gleichzeitig überwacht werden können. In A/D-Wandlern sind Integratoren analog und der Komparator 25 ist dann gewöhnlich ebenfalls analog. In D/A-Wandlern sind die Integratoren digital, der Komparator 25 überwacht in diesem Fall, ob ein Integrator überläuft oder ob das digitale Ausgabewort des Integrators einen vorbestimmten digitalen Schwellenwert übersteigt.
Der instabile Modus des Modulators kann, wie Fig. 3 zeigt, auch durch Überwachen der digitalen Ausgabedaten des Modulators detektiert werden. Falls die Ausgabedaten des Modulators in einem unveränderten Zustand bleiben, d. h. er wiederholt denselben Code mehrere Male nacheinander, kann geschlossen werden, daß der Modulator in einem instabilen Modus ist. "Mehrere Male" bedeutet zum Beispiel zweimal die Ordnung des Modulators, was in der Praxis bereits ein positives Anzeichen ist. Die Ausgabe des Modulators ist sowohl in einem analogen als auch in einem digitalen Modulator ein digitaler Code. In der Ausführungsform von Fig. 3 wird dieser Ausgabecode des Modulators für eine ausreichende Zeitdauer an einen FIFO- bzw. Silospeicher angelegt. Ist der Inhalt des gesamten FIFO oder ein bestimmter Teil davon mit ein und demselben Code gefüllt, ist der Modulator instabil und der FIFO liefert ein Steuersignal 26 an die Skaliereinrichtungen 22 und 23. Die Schaltung von Fig. 3 ist ansonsten mit der Schaltung von Fig. 1 identisch.
Fig. 2 zeigt die Art und Weise der Implementierung der Skaliereinrichtungen 17 und 22, der Summiereinrichtung 12 und des Integrators H&sub2; im Modulator von Fig. 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Skaliereinrichtungen 18 und 23, die Summiereinrichtung 13 und der Integrator H&sub3; der nachfolgenden Integratorstufe sind auf dieselbe Weise realisiert. In Fig. 2 werden Schalter S1, S4, S5 und S8 durch die erste Phase des Überabtastungstakts (z. B. die vordere Flanke), und Schalter S2, S3, S6 und S7 durch die zweite Phase des Takts (z. B. die hintere Flanke) gesteuert. In der Skaliereinrichtung 17 werden die Schalter S1 und S4 als erste geschlossen, woraufhin eine Abtastung der Ausgangsspannung vom vorherigen Integrator H&sub1; an einen Kondensator C1 geliefert wird. In der nächsten Taktphase werden die Schalter S1 und S4 geöffnet und die Schalter S2 und S3 werden geschlossen, woraufhin die Abtastung im Kondensator C1 an den Eingang des Integrators H&sub2; angelegt wird. Der Wert des Kondensators C1 bestimmt den Skalierungskoeffizienten a2.
Wenn die Struktur und Arbeitsweise der Skaliereinrichtung 22 beschrieben wird, wird zunächst angenommen, daß der Modulator im stabilen Modus ist und der Schalter S9 offen ist. In der ersten Phase des Abtasttakts sind die Schalter S5 und S8 geschlossen und die Schalter S7 und S6 offen. Das Rückkopplungssignal ±Vref lädt dann den Kondensator C3 auf. In der zweiten Phase des Taktsignals werden die Schalter S5 und S8 geöffnet und die Schalter S6 und S7 geschlossen, woraufhin die im Kondensator C3 gespeicherte Abtastung an den Eingang des Integrators H&sub2; angelegt wird, wo sie zu der Abtastung aus der Skaliereinrichtung 17 addiert wird. Während des normalen Betriebs bestimmt der Wert des Kondensators C3 den Wert des Rückkopplungskoeffizienten b2. Wenn der Modulator in den instabilen Modus übergeht, läßt das Steuersignal 26 den Schalter 59 schließen, woraufhin der Kondensator C2 parallel mit dem Kondensator C3 gekoppelt wird. Die gesamte Kapazität ist dann C = C2 + C3. Der Wert des Kondensators C2 ist vorzugsweise auf eine Weise gewählt, daß die erhaltene gesamte Kapazität C wenigstens 1,5 · C3 ist, woraufhin der neue Rückkopplungskoeffizient b2' auch mindestens 1,5 · b3 ist. Falls C2 - C3, dann ist b2' = 2 · b2. In einem instabilen Modus ist die Arbeitsweise der Skaliereinrichtung 22 wie oben beschrieben, außer daß die Abtastung in beide Kondensatoren C2 und C3 geladen wird. Kehrt der Modulator in den stabilen Modus zurück, öffnet das Steuersignal 26 den Schalter 59, woraufhin die Arbeitsweise der Skaliereinrichtung und somit der Koeffizient der Kopplung normal wird.
Fig. 5 zeigt eine Mitkopplungs-Modulatorkonfiguration. Der Modulator umfaßt die in Reihe geschalteten Integratorstufen H&sub1;, H&sub2;, H&sub3; und H&sub4;. In einer Subtrahiereinrichtung 51 wird ein Rückkopplungssignal aus dem Ausgang des Modulators vom Eingangssignal AIN des Modulators subtrahiert und die Differenz an die erste Integratorstufe angelegt. Die Ausgabe des Integrators H&sub1; wird an den Integrator H&sub2; angelegt, die Ausgabe des Integrators H&sub2; an den Integrator H&sub3; und die Ausgabe des Integrators H&sub3; an den Integrator H&sub4;. Die Ausgänge der Integratoren H&sub1;, H&sub2;, H&sub3; und H&sub4; sind jeweils über Skaliereinrichtungen 52, 53, 54 und 55 auch mit einer Summiereinrichtung 56 verbunden. Die Skalierungskoeffizienten der Skaliereinrichtung 52, 53, 54 und 55 sind jeweils a1. a2, a3 und a4. Die Summiereinrichtung 56 liefert ein Summensignal an einen Quantisierer 57, der ein digitales Ausgangssignal DOUT liefert, welches das Ausgangssignal des Modulators ist. Das Signal DCUT ist auch an eine Skaliereinrichtung 58 angeschlossen, die durch Skalieren des Signals DCUT mit dem Koeffizienten b1 das vorher erwähnte Rückkopplungssignal liefert. Der Modulator umfaßt auch eine Stabilisierungsschaltung gemäß der Erfindung, bestehend aus einem Komparator 59 und einer einstellbaren Skaliereinrichtung 58. Der Komparator 59 vergleicht das Ausgangssignal des Integrators H&sub4; mit einem vorbestimmten Schwellenwert. Wird dieser Schwellenwert überschritten, wird geschlossen, daß sich der Modulator in einem instabilen Modus befindet, und der Komparator 59 liefert ein Steuersignal 60, das bewirkt, daß die einstellbare Skaliereinrichtung 58 den Rückkopplungskoeffizienten b1 verändert. Die einstellbare Skaliereinrichtung 58 kann auf dieselbe Weise wie die Skaliereinrichtung 22 in Fig. 2 realisiert werden. Der instabile Modus des Modulators kann auch auf in Verbindung mit Fig. 1 bis 4 beschriebene unterschiedliche Arten detektiert werden.

Claims

1. Überabgetasteter Modulator hoher Ordnung, insbesondere ein Sigma-Delta-Modulator, bestehend aus kaskadierten Integratoren (H1, H2, ..., HN) in einer der Ordnung des Modulators entsprechenden Anzahl, einem Quantisierer (15, 57) und einer negativen Rückkopplung (21, 22, 23, 24) vom quantisierten Ausgang (Dout) des Modulators zum Eingang wenigstens eines Integrators, einer Detektiereinrichtung (FIFO, 25, 29), die den instabilen Modus des Modulators detektiert, und einer Wiederherstellungseinrichtung, die den Modulator in stabilen Betrieb zurückversetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederherstellungseinrichtung, die den Modulator in stabilen Betrieb zurückversetzt, Rückkopplungswertänderungseinrichtungen (22, 23, 58), die den Wert der Rückkopplung temporär zu einer Richtung verändern, die den stabilen Betrieb wiederherstellt, umfaßt.

2. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektiereinrichtung, die den instabilen Modus des Modulators detektiert, einen Komparator (25, 59) umfaßt, der den Ausgangspegel wenigstens eines Integrators mit einem vorbestimmten Schwellenwert (REF) vergleicht und die Wiederherstellungseinrichtung (22, 23, 58), die den stabilen Betrieb wiederherstellt, aktiviert, wenn der Schwellenwert überschritten wird.

3. Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektiereinrichtung, die den instabilen Modus des Modulators detektiert, eine Überwachungseinrichtung (FIFO) umfaßt, die das Ausgangssignal des Modulators überwacht und die Wiederherstellungseinrichtung (22, 23), die den stabilen Betrieb wiederherstellt, aktiviert, wenn das Ausgangssignal in einem unveränderten Zustand bleibt.

4. Modulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungseinrichtung ein serielles Register (FIFO) ist, das eine vorbestimmte Anzahl digitaler Codes vom quantisierten Ausgang des Modulators aufnehmen kann, und daß das Register interpretiert, daß der Modulator in einem instabilen Modus ist, wenn wenigstens ein Teil des Inhalts des Registers durch ein und denselben Code gefüllt ist.

5. Modulator nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine negative Rückkopplung eine erste und eine zweite Referenzspannung (+Vref, -Vref);

einen Selektor (20), der die Referenzspannung auf der Basis des Modus der quantisierten Ausgabe des Modulators auswählt;

eine Multipliziereinrichtung (21, 22, 23, 24), welche die gewählte Referenzspannung mit einem vorbestimmten Rückkopplungskoeffizienten multipliziert, bevor sie zu der Eingabe des Integrators summiert wird

umfaßt und daß die Rückkopplungswertänderungseinrichtung, die den Wert der Rückkopplung ändert, eine Einrichtung zum Ändern der ersten und zweiten Referenzspannung, wenn der Modulator in einem instabilen Modus ist, umfaßt.

6. Modulator nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine negative Rückkopplung

eine Multipliziereinrichtung (58), die das Rückkopplungssignal mit einem vorbestimmten Rückkopplungskoeffizienten multipliziert, bevor es zu der Eingabe des Integrators summiert wird,

umfaßt und daß die Rückkopplungswertänderungseinrichtung, die den Wert der Rückkopplung ändert, eine Einrichtung (S5, S6, S7, S8) umfaßt, die den vorbestimmten Rückkopplungskoeffizienten ändert, wenn der Modulator in einem instabilen Modus ist.

7. Modulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungskoeffizient im instabilen Modus des Modulators wenigstens 1, 5 mal höher als im stabilen Modus ist.

8. Modulator nach jedem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein Mitkopplungs- oder Mehrfach-Rückkopplungs-Sigma-Delta-Modulator ist.

9. Sigma-Delta-A/D-Wandler, der einen überabgetasteten Sigma-Delta-Modulator hoher Ordnung enthält, der kaskadierte Integratoren (H&sub1;, H&sub2;, H&sub3;, H&sub4;, H&sub5;) in einer Anzahl, die der Ordnung des Modulators entspricht, einen Quantisierer (15, 57), eine negative Rückkopplung (21, 22, 23, 24, 58) vom quantisierten Ausgang (Dout) des Modulators zum Eingang wenigstens eines Integrators, eine Detektiereinrichtung (25, FIFO), die den instabilen Modus des Modulators detektiert, und eine Wiederherstellungseinrichtung, die den stabilen Betrieb des Modulators wiederherstellt, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederherstellungseinrichtung, die den stabilen Modus des Modulators wiederherstellt, eine Rückkopplungswertänderungseinrichtung (22, 23, 58) umfaßt, die den Wert der Rückkopplung temporär zu einer Richtung verändert, die den stabilen Betrieb wiederherstellt.

10. Sigma-Delta-D/A-Wandler, der einen überabgetasteten Sigma-Delta-Modulator hoher Ordnung enthält, der kaskadierte Integratoren (H1, H2, H3, H4, H5) in einer Anzahl, die der Ordnung des Modulators entspricht, einen Quantisierer (15, 57), eine negative Rückkopplung (21, 22, 23, 24, 58) vom quantisierten Ausgang des Modulators zum Eingang wenigstens eines Integrators, eine Detektiereinrichtung (25, 59), die den instabilen Modus des Modulators detektiert, und eine Wiederherstellungseinrichtung, die den stabilen Betrieb des Modulators wiederherstellt, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederherstellungseinrichtung, die den stabilen Betrieb des Modulators wiederherstellt, eine Rückkopplungswertänderungseinrichtung (22, 23, 58) umfaßt, die den Wert der Rückkopplung temporär zu einer Richtung verändert, die den stabilen Betrieb wiederherstellt.