NL8007088A

NL8007088A - Digitale dither-generator.

Info

Publication number: NL8007088A
Application number: NL8007088A
Authority: NL
Original assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1980-01-09
Filing date: 1980-12-29
Publication date: 1981-08-03
Also published as: CA1175148A; JPS56104533A; DE3100154A1; GB2067373B; US4447803A; DE3100154C2; JPS613133B2; GB2067373A

Description

-1- r , *

803ΐΠ 5/Ti/M/vL

Korte aanduiding: Digitale dither-generator

De uitvinding heeft betrekking op een digitale dither-generator ter verkrijging van een reeks dither-spanningen die gecombineerd worden met een analoog ingangssignaal voordat dit wordt gedigitaliseerd met behulp van een m-bit kwantiseringseenheid.

5 Een dergelijke generator wordt toegepast in een analoog-digitaal- amzetter ter verbetering van de nauwkeurigheid en resolutie van een digi-taliseereenheid.

Bij het cmzetten van analoge signalen in digitale signalen treden bepaalde fouten op in het digitale uitgangssignaal,«.zoals de bekende ver-10 schuivingsfouten, schaalfactorfouten, lineairiteitsfouten en fouten tengevolge van niet-monotoniciteit. Een andere fout is eigen aan de kwantise-ringsbewerking zelf.

Deze als kwantiserings- of onzekerheidsfout bekende fout treedt op als een continu signaal naar· een kwantiseringseenheid gevoerd wordt. Het 15 continue signaal wordt gekwantiseerd door het te verdelen in discrete gebieden. Alle analoge waarden die binnen een bepaald gebied liggen worden voorgesteld door dezelfde digitale code, die overeenkomt met een nominale analoge ingangswaarde in het midden van het gebied.

Een met n aangeduid snijpunt wordt gedefinieerd als de analoge in-20 gangsspanning waarbij het even waarschijnlijk is, dat de digitale uitgangs-code n of n + 1 zal zijn. Er is daardoor sprake van een inherente kwanti-seringsfout van + 1/2 LSB (minst significant bit) bij de analoge-digitale omzetting. Bekende werkwijzen ter verkleining van deze fout vergroten het aantal bits in de uitgangscode.

25 Volgens de uitvinding levert een digitale dither-generator een reeks ,,dither"-toestanden. Deze reeks dither-toestanden wordt omgezet in analoge spanningen, die voordat het door een kwantiseereenheid in een digitale vorm wordt omgezet worden opgeteld bij een analoog ingangssignaal. De dither-toestanden hebben twee unieke eigenschappen. De eerste betreft de werking 30 met bit-amkering waarbij dezelfde reeks dither-toestanden gebruikt wordt voor het progressief maximaliseren van de resolutie van de kwantiseereenheid. De tweede eigenschap is de inclusie van een dither-ccmponent die ge-** lijk is aan het analoge equivalent van een geheel aantal LSB's voor het 8007088 -2- statistisch verbeteren van de nauwkeurigheid van de kwantiseereenheid.

De uitvinding verschaft ten doel middelen voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van een kwantiseringseenheid.

De uitvinding beoogt tevens middelen te verschaffen ter verbetering 5 van de resolutie van een kwantiseringseenheid.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de tekening.

Deze toont een blokdiagram van een keten waarmee de nauwkeurigheid en de resolutie van een digitaliseereenheid volgens de uitvinding verbeterd worden.

10 Het gedigitaliseerde analoge signaal wordt op een ingangslijn 100 aan de keten aangeboden en wordt naar een optelversterker 50 gevoerd. Het ingangssignaal wordt eveneens naar een klokgenerator 10 gevoerd die aan het einde van elke herhalingsperiode van het ingangssignaal een klokpuls levert. De uitgang van de klokgenerator 10 is verbonden met de klokin-15 gang (CK) van een teller 30.

De teller 30 ontvangt eveneens een terugzetpuls via een ingangslijn 20. De terugzetpuls dient voor het in de begintoestand brengen van de keten. De terugzetpuls kan worden geleverd voor een buiten de digitalise-ringsketen optredende gebeurtenis zoals bij het inschakelen van de voeding. 20 De teller 30 kan een bekende teller met binaire uitgangen zijn. Duidelijkheidshalve is een 5-bit teller getoond. In de getoonde keten is de uitgang Qq het minst significante bis (LSB) terwijl de uitgang het meest significante bit (MSB) van het uitgangswoord van de teller is.

De uitgangen van de teller 30 zijn direkt verbonden met de gegevens-25 ingangen van de digitaal-analoog-anzetter (DAG) 1*0. De DAC ko kan gevormd worden door elke geschikte, in de handel verkrijgbare, DAC, waarvan het aantal ingangsbits natuurlijk overeen moet kanen met het aantal bits in het uitgangswoord van de teller 30. Daaran is in dit voorbeeld een 5-bit DAC gebruikt. De uitgang van de DAC 10 is verbonden met een ingang van een 30 optelmiddel 50 waarvan de andere ingang het oorspronkelijke analoge ingangssignaal ontvangt. Het optelmiddel 50 kan gevormd worden door een operationele versterker, een weerstandsnetwerk of dergelijke.

De uitgang van de optelversterker 50 is verbonden met de ingang van een golfvormdigitaliseringseenheid 60. De digitaliseringseenheid 60 kan 35 een bekende digitaliseringseenheid zijn omvattende een kwantiseringseenheid, een klokgenerator en een geschikte accumulator voor het accumuleren van de opeenvolgende monsters van het gekwantiseerde signaal. Duidelijkheidshalve 8007038 .b* +.

-3- is in de digitaliseringseenheid 6θ slechts een 8-bit kwantiseringseenheid gebruikt. Deze kwantiseringseenheid vertoont de voornoemde +_ 1/2 LSB kwan-tiseringsfout. De als voorbeeld genoemde 8-bit kwantiseringseenheid heeft een totaal ingangsspanningsbereik van 10 V. In een dergelijke kwantiserings-5 eenheid kcmt het minst significante bit LSB van het digitale uitgangswoord daarvan overeen met een analoog ingangssignaal van 30,1 mV.

De uitgangen van de teller 30 zijn zodanig met ingangen van de DAC 1*0 verbonden dat de DAC 1*0 de in onderstaande tabel opgesande uitgangs-spanningen levert: 10 Tellerstand DAC Uitgangssignaal (mV) 00000 0

00001 19,5 - 1/2 LSB

00010 9,8 - 1/1* LSB

00011 29,3 - 3A LSB

15 00100 U,9 - 1/8 LSB

00101 - 5/8 LSB

00110 A,7 - 3/8 LSB

00111 33,6 - 7/8 LSB

01000 78,2 - 2 LSB

20 01001 97,7 - 2-1/2 LSB

01001 88,0 - 2-1A LSB

01011 107,5 - 2-3A LSB

01100 83,1 - 2-1/8 LSB

01101 102,6 - 2-5/8 LSB

25 01110 92,8 - 2-3/8 LSB

01111 111,8 - 2-7/8 LSB

10000 39,1 - 1 LSB

10001 58,6 - 1-1/2 LSB

10010 1*8,9 - 1-1A LSB

30 10011 68,U _ 1-3A LSB

10100 1*1*,0 - 1-1/8 LSB

10101 63,5 - 1-5/8 LSB

10110 53,8 - 1-3/8 LSB

10111 72,7-1-7/8 LSB

35 11000 117,3-3 LSB

11001 136,8 - 3-1/2 LSB

8007038 -b-

Tellerstand DAC Uitgangssignaal (mV)

11010 127,1 - 3-1 A LSB

11011 1U6,6 - 3-3/b LSB

11100 122,2 - 3-1/8 LSB

5 11101 1^1,7 - 3-5/8 LSB

11110 132,0 - 3-3/8 LSB

11111 150,9 - 3-7/8 LSB

Na ontvangst van een terugzetpuls zal de teller 30 zich in de "begintoestand (00000) bevinden. Aan het einde van elke herhalingsperiode 10 van het continue analoge ingangssignaal wordt door de klokgenerator 10 een klokpuls opgewekt. Deze klokpuls wordt naar de klokingang van de binaire teller 30 gevoerd die de in bovenstaande tabel opgescmde 32 tellertoestan-den levert. Elke herhaling van het ingangssignaal levert een individueel discreet uitgangssignaal van de DAC 1*0. Uit de tabel valt af te leiden dat 15 het uitgangssignaal van de DAC Uo 32 dither-toestanden doorloopt, die elk, voorafgaand aan de 8-bit kwantiseringsverwerking in de digitaliseringseen-heid 6θ, progressief bij het ingangssignaal worden opgeteld.

Tijdens bedrijf van de getoonde keten volgens de uitvinding wordt de teller teruggezet met behulp van, niet getoonde, uitwendige middelen en 20 kant haar uitgang in de beginstand (00000). De aanvangsherhaling van het analoge signaal wordt opgeteld bij het uitgangssignaal van de DAC Uo, dat dan nul is, en gedigitaliseerd door de digitaliseringseenheid 60. Deze bewerking levert natuurlijk een digitaal uitgangssignaal dat gebaseerd is op de resolutie en de nauwkeurigheid van de 8-bit kwantiseringseenheid van de 25 digitaliseringseenheid 60.

Hierdoor geldt dat [A]=^»[Dq] , waarbij A de beginreeks van de analoge ingangswaarden is en D^ de beginreeks van de digitale uitgangswaarden is. Aan het einde van de eerste herhaling van het analoge ingangssignaal wordt door de klokgenerator 10 een klokpuls opgewekt, die naar de bi-30 naire teller 30 wordt gevoerd. De uitgang van de teller 30 neemt met één stap toe, tot 00001. Als aangegeven in de hierboven gegeven tabel zet de DAC Uo deze tellerstand cm in het analoge equivalent van 1/2 LSB van de kwantiseringseenheid. Deze analoge waarde wordt in de opteller 50 opgeteld bij het analoge ingangssignaal ter verkrijging van de reeks [A + 1/2 LSB].

35 Deze reeks wordt gedigitaliseerd ter verkrijging van de digitale reeks [D^]. De reeksen [Dq] en [D^] kunnen gesommeerd worden ter verkrijging van een 8007088 -5- nieuwe reeks [D^] ·

Het resultaat van de voornoaade bewerking is een verdubbeling van de resolutie van de 8-bit kwantiseringseenheid. Er kan, rekenkundig, aangetoond worden dat de nieuwe reeks CDq+-j] gelijk is aan het digitale uit-5 gangssignaal dat wordt geleverd door een 9-bit kwantiseringseenheid die werkzaam is op de analoge reeks [A + 1/h LSB]. De kwantiseringseenheid

Q S

heeft nu 512 {2: ) in plaats van 256 (2 ) effectieve kwantiseringsniveau’s. Haar resolutie is daarmee verdubbeld. Als het voorafgaande twesnaal extra uitgevoerd wordt is het uitgangssignaal van de kwantiseringseenheid gelijk 10 aan de 10-bit kwantisering van het analoge ingangssignaal [A + 3/8 LSB], Daarom bedraagt na een bepaald aantal (2 ) herhalingen het aantal effectieve kwantiseringsniveau's (Q): Q=2(M+R) (1) waarin M = het aantal bits van de kwantiseringseenheid 15 R = de exponent van het grondtal twee, die gelijk is aan het aantal herhalingen.

Zo bedraagt bij voorbeeld in een voorkeursuitvoeringsvorm het aantal herhalingen acht, zodat:

R

Herhalingen = 2

20 8 = 2R

R = 3

Hierdoor bedraagt het aantal effectieve kwantiseringsniveau’s: Q = 2(M+R> 0 = 2<8+3> 11 25 Q = 2

De oorspronkelijke 8-bit kwantiseringseenheid heeft daarcm nu de effectieve resolutie van een 11-bit kwantiseringseenheid. Eveneens is de kwantiseringsfout afgencmen van 1/2 LSB van een 8-bit kwantiseringseenheid tot 30 1/2 (1 - j) LSB (2)

Volgens de uitvinding wordt eveneens een compensatie verkregen voor fouten in de lokatie van elk der snijpunten in de kwantiseringseenheid.

Het eerste snijpunt kan bij voorbeeld niet precies bij + 1/2 LSB optreden of de verschillen tussen de snijpunten kunnen niet alle gelijk zijn, of 35 uniform veranderen. Volgens de uitvinding wordt de voornoemde dither-bewer-king verschoven met gehele veelvouden van éên LSB. Dit valt af te leiden uit tabel 1 waarin na de eerste acht herhalingen de volgende acht herha- 8007038 -6- lingen worden verschoven over 2 LSB, de volgende 8 worden verschoven met 1 LSB en de laatste 8 herhalingen worden verschoven over 3 LSB. In de voorkeur suit voer ingsvorm volgens fig. 1 worden dus de lokatiefouten van vier naburige snijpunten tezamen gewogen in de combinatie van de 32 digitale 5 reeksen die worden geleverd door de kwantiseringseenheid. Als wordt aangenomen dat de snijpunten willekeurig verdeeld zijn zal de effectieve fout verkleind worden met een factor die gelijk is aan de vierkantswortel van het aantal snijpunten die door het verschuivingssignaal doorlopen worden.

In het hiervoorgegeven voorbeeld worden de fouten dus verkleind met een 10 factor 2.

8 0 0 7 0 S 8

Claims

1. Digitale dither-generator ter verkrijging van een reeks dither-spanningen die gecombineerd worden met een analoog ingangssignaal voordat dit wordt gedigitaliseerd met behulp van een m-bit kwantiseringseenheid gekenmerkt door klokpulsgeneratormiddelen ter verkrijging van een puls met 5 een herhalingssnelheid die gelijk is aan die van het analoge ingangssignaal, n-bit middelen voor het cmzetten van een digitaal signaal in een analoge dither-waarde, n-bit talmiddelen voor het tellen van de klokpulsen, waarbij de uitgangen van de telmiddelen verbonden zijn met stuuringangen van de digitaal-analoog 10 cmzetmiddelen, en optelmiddelen voor het combineren van het analoge ingangssignaal met de analoge dither-waarde, waarbij het uitgangssignaal daarvan naar de ingang van de n-bit kwantiseringseenheid gevoerd wordt.

2. Analoog-digitaal-cmzetstelsel, gekenmerkt door m-bit kwantiserings-15 middelen voor het cmzetten van een analoog ingangssignaal in een digitaal uitgangssignaal, klokpulsgeneratormiddelen ter verkrijging van een puls met een herhalingssnelheid die gelijk aan die van het analoge ingangssignaal, n-bit middelen voor het omzetten van een digitaal signaal in een analoge 20 dither-waarde, n-bit telmiddelen voor het tellen van de klokpulsen, waarbij de uitgangen daarvan verbonden zijn met stuuringangen van de digitaal-analoogcmzetmid-delen, en optelmiddelen voor het combineren van het analoge ingangssignaal met de 25 analoge dither-waarde, waarbij het uitgangssignaal daarvan naar de ingang i van de m-bit kwantiseringseenheid gevoeld, wordt.

3. Generator volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de n-bit telmiddelen gevoimd worden door een n-bit binaire teller. U. Generator volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de 30 2n uitgangstoestanden van de n-bit binaire teller een overeenkomstig aantal analoge dither-waarden levert, die voor elke herhaling van het analoge ingangssignaal gelijk zijn.

5. Generator volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat na 2 herhalingen van het analoge ingangssignaal het aantal effectieve kwantiseringsniveau’s, (m+b)

35 Qs van- de m-bit kwantiseringseenheid gelijk is aan 2 Q fl Ί 7 Γ. (ï ö v w' V / w Q -8-

6. Generator volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de eerste uit-gangstoestand van de n-bit binaire teller de n-bit digitaal-analoog-omzet-tingsmiddelen een ditherspanningsniveau gelijk aan nul doet leveren, de tweede uitgangstoestand een ditherspanning levert die gelijk is aan 1/2 LSB 5 van het kwantiseringsuitgangssignaal, de derde uitgangstoestand een ditherspanning gelijk aan 1A LSB van het kwantiseringsuitgangssignaal levert, de vierde uitgangstoestand een dither-spanning gelijk aan 3A LSB van het kwantiseringsuitgangssignaal levert, de vijfde uitgangstoestand een ditherspanning gelijk aan 1/8 LSB van het kwantiseringsuitgangssignaal levert, de 10 zesde uitgangstoestand een dither-spanning gelijk aan 5/8 LSB van het kwantiseringsuitgangssignaal levert, de zevende uitgangstoestand een dither-spanning gelijk aan 3/8 LSB van het kwantiseringsuitgangssignaal levert en de achtste uitgangstoestand een dither-spanning gelijk aan 7/8 LSB levert. 7· Generator volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de negende t/m 15 de zestiende uitgangstoestanden van de n-bit binaire teller de n-bit digi-taal-analoog-cmzettingsmiddelen een dither-spanning doet leveren die 2 LSB groter is dan elk der eerste t/m de achtste uitgangstoestanden, de zeventiende t/m vierentwintigste uitgangstoestanden een dither-spanning levert welke 1 LSB groter is dan elk der eerste t/m de achtste uitgangstoestan-20 den, en de vijfentwintigste t/m de twee-en-dertigste uitgangstoestanden een dither-spanning levert welke 3 LSB groter is dan elk der eerste t/m de achtste uitgangstoestanden. 8 0 0 ? 0 8 §