WO2009074386A1 - Signalmodulator für analog/digital-wandler - Google Patents

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WO2009074386A1
WO2009074386A1 PCT/EP2008/064106 EP2008064106W WO2009074386A1 WO 2009074386 A1 WO2009074386 A1 WO 2009074386A1 EP 2008064106 W EP2008064106 W EP 2008064106W WO 2009074386 A1 WO2009074386 A1 WO 2009074386A1
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signal
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analog
quantizer
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Gerald Hörist
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Siemens Ag Österreich
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    • H03M3/00—Conversion of analogue values to or from differential modulation
    • H03M3/30—Delta-sigma modulation
    • H03M3/39—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators
    • H03M3/436—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the order of the loop filter, e.g. error feedback type
    • H03M3/438—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the order of the loop filter, e.g. error feedback type the modulator having a higher order loop filter in the feedforward path
    • H03M3/454—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the order of the loop filter, e.g. error feedback type the modulator having a higher order loop filter in the feedforward path with distributed feedback, i.e. with feedback paths from the quantiser output to more than one filter stage
    • H—ELECTRICITY
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    • H03M3/412—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution
    • H03M3/422—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having one quantiser only
    • H03M3/43—Structural details of delta-sigma modulators, e.g. incremental delta-sigma modulators characterised by the number of quantisers and their type and resolution having one quantiser only the quantiser being a single bit one

Definitions

  • the invention relates to a generic signal modulator for analog / digital converter, as defined in the preamble of claim 1 and 2.
  • it comprises a first modulator stage having an input to the analog input signal, a comparator configured to compare the output of the first modulator stage to a voltage value, a quantizer configured thereto by sampling the output of the comparator at a sampling frequency to generate a series of digital signals and a feedback loop which feeds the output of the quantizer back to the first modulator stage.
  • An analog-to-digital converter known in the art for this purpose is the sigma-delta analog-to-digital converter.
  • a converter has a sigma-delta modulator and a digital filter.
  • the sigma-delta modulator has a first modulator stage, which can have a different structure, a clocked quantizer, and a feedback loop, which can also have a digital / analog converter.
  • the quantizer performs a sampling operation that performs the analog-to-digital conversion.
  • Feedback loop couples analog signals back to the first modulator stage, where they are combined with an analog input signal.
  • an adder may be provided which adds the feedback analog signals to the analog input signal, or intermediate taps in the first modulator stage may combine the fed back analog signals with analog signals generated in the first modulator stage.
  • Converters of this type have numerous applications, such as consumer electronics, telecommunications, or digital signal processors, with numerous ways of optimizing for sampling rate, linearity, resolution, or signal-to-noise ratios.
  • analog / digital converters are needed for comparatively simple requirements, for example for simpler measurement and control tasks. In these applications, sometimes the quality of the output signal generated by the converter is less crucial, but rather a cost-effective method of production. There is therefore a need for an analog-to-digital converter that minimizes manufacturing costs with sufficient output signal quality.
  • a signal modulator for analog-to-digital converters comprising a first modulator stage having an input for the analog input signal, a comparator configured to compare the output of the first modulator stage with a voltage value, a quantizer configured therefor by sampling the output signal of the comparator with a sampling frequency to generate a series of digital signals, and a feedback loop which feeds the output signal of the quantizer in the first modulator stage
  • the first Modulator stage is formed by an RC element, and the feedback loop connects the output of the quantizer with the output of the RC element.
  • a signal modulator is also proposed, which is referred to as second-order signal modulator hereinafter. It is provided that the first modulator stage is formed by two series-connected RC elements, and the feedback loop connects the output of the quantizer with the outputs of the two RC elements.
  • the quantizer is a D flip-flop.
  • the invention relates to an analog / digital converter with a signal modulator according to the invention.
  • Fig.l a circuit with which an embodiment of a signal modulator according to the invention second order can be realized.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a second-order signal modulator according to the invention.
  • Modulator level is formed by two series-connected RC elements RiCi, R 2 C 2 .
  • the analog input signal Vin is supplied to the first RC element R 1 C 1 .
  • the Output of the second RC element R 2 C 2 is supplied to a comparator Ui, which compares the output signal with a predetermined value Vref.
  • the comparator Ui has a positive power supply Pi for this purpose.
  • the output signal of the comparator Ui is supplied to a quantizer Dl, which may be designed as a D flip-flop, for example.
  • the switching path from the comparator to the quantizer Ui Di may be coupled with R 3 while the positive power supply via a pull-up resistance Pi.
  • the D flip-flop is in a known manner a clocked flip-flop with an information input D, a clock input C, and an output Q.
  • the circuit of the D flip-flop is effected exclusively by the edge of the clock pulse, regardless of an intermediate state change at the information input D.
  • the clock input C can be switched both at the rising edge and at the falling edge of the clock pulse, and adopts the signal level at the information input D delayed to the output Q.
  • Commercially available D flip-flops are switched only at one edge, such as the positive edge, but that is not critical to the operation of the invention. If there is no active clock edge, there is no acceptance of the input value at the information input D.
  • the output signal of the quantizer Di is fed back via a feedback loop via a resistor R 4 into the output of the first RC element R 1 C 1 , as well as via a further resistor R 5 in the output of the second RC element R 2 C 2 .
  • the two RC elements R 1 C 1 , R 2 C 2 act as integrator circuits, so that the resistors Ri, R 2 , R 3 , R 4 can also be referred to as integrator resistors, and the capacitors Ci, C 2 of the two RCs Links as integrator capacitors.
  • a particularly simple implementation of the signal modulator according to the invention can be achieved, for example, by selecting the integrator resistors Ri, R 2 , R 3 , R 4 to be the same size.
  • a first-order signal modulator only one RC element R 1 C 1 is used, wherein the feedback of the output signal from the quantizer Di lediglcih on the Resistor R 4 takes place in the output of this one RC element.
  • the second RC element R 2 C 2 , and the additional resistor R 5 are omitted in this case.
  • Signal modulator second order according to the embodiment of Fig. 1 can be chosen approximately as follows:
  • the signal modulator according to the invention is constructed with CMOS components. It turns out that only a small supply voltage in the form of the positive power supply P 1 is required, and that the circuit according to the invention otherwise copes with a few, cost-effective components.
  • a voltage range of -6.6 V to +6.6 V can be converted with the design specified in the above table, whereby an accuracy of +/- 0.1% of the full scale can be achieved.
  • the linearity error is less than 0.05%.
  • the achievable resolution is over 16 bits, with a conversion time of 1 ms.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)

Abstract

Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler umfassend: eine erste Modulatorstufe mit einem Eingang für das analoge Eingangssignal, einen Komparator (U1), der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe mit einem Spannungswert (P1) zu vergleichen, einen Quantisierer (D1), der dafür konfiguriert ist, durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators (U1) mit einer Abtastfrequenz eine Reihe von Digitalsignalen zu erzeugen, sowie eine Rückkopplungsschleife, die das Ausgangssignal des Quantisierers in die erste Modulatorstufe rückkoppelt, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die erste Modulatorstufe durch zumindest ein RC-Glied (R1C1) gebildet wird, und die Rückkopplungsschleife den Ausgang des Quantisierers (D1) mit dem Ausgang des zumindest einen RC- Glieds (R1C1) verbindet.

Description

Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler
Die Erfindung bezieht sich auf einen gattungsgemäßen Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler, wie er im Oberbegriff von Anspruch 1 und 2 festgelegt ist. Insbesondere umfasst er eine erste Modulatorstufe mit einem Eingang für das analoge Eingangssignal, einen Komparator, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe mit einem Spannungswert zu vergleichen, einen Quantisierer, der dafür konfiguriert ist, durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators mit einer Abtastfrequenz eine Reihe von Digitalsignalen zu erzeugen, sowie eine Rückkopplungsschleife, die das Ausgangssignal des Quantisierers in die erste Modulatorstufe rückkoppelt.
Stand der Technik
Viele elektronische oder elektromechanische Produkte erfordern die Umwandlung analoger elektronischer Signale in digitale Signale, etwa zur Weiterverarbeitung durch einen Mikroprozessor. Ein im Stand der Technik hierfür bekannter Analog/Digital-Wandler ist der Sigma-Delta-Analog/Digital- Umwandler. In der Regel weist ein solcher Umwandler einen Sigma-Delta-Modulator auf, sowie ein digitales Filter. Der Sigma-Delta-Modulator verfügt dabei in der Regel über eine erste Modulatorstufe, die unterschiedlich aufgebaut sein kann, einen getakteten Quantisierer, sowie eine Rückkopplungsschleife, die auch einen Digital/Analog-Umsetzer aufweisen kann. Der Quantisierer führt eine Abtastoperation durch, die die Analog/Digital-Umsetzung vollzieht. Die
Rückkopplungsschleife koppelt Analogsignale in die erste Modulatorstufe zurück, wo sie mit einem analogen Eingangssignal kombiniert werden. Zum Beispiel kann in der ersten Modulatorstufe ein Addierer vorgesehen sein, der die rückgekoppelten Analogsignale zum analogen Eingangssignal addiert, oder Zwischenabgriffe in der ersten Modulatorstufe können die rückgekoppelten Analogsignale mit in der ersten Modulatorstufe erzeugten Analogsignalen kombinieren. Umwandler dieser Art verfügen über zahlreiche Einsatzgebiete, etwa in der Unterhaltungselektronik, in der Telekommunikationstechnik, oder bei digitalen Signalprozessoren, wobei zahlreiche Möglichkeiten beschrieben wurden, Optimierungen hinsichtlich Abtastrate, Linearität, Auflösung, oder Signal/Rausch-Verhältnis zu erzielen. Es existieren aber auch Anwendungen, bei denen Analog/Digital- Umwandler für vergleichsweise einfache Anforderungen benötigt werden, etwa für einfachere Mess- und Steuerungsaufgaben. In diesen Einsatzbereichen ist mitunter die Qualität des vom Umwandler erzeugten Ausgangssignals weniger ausschlaggebend, als vielmehr eine kostengünstige Herstellungsweise. Es besteht daher ein Bedarf nach einem Analog/Digital-Umwandler, die bei ausreichender Qualität des Ausgangssignals die Herstellungskosten minimieren.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher das Ziel der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und Signalmodulatoren für Analog/Digital-Umwandler zu verwirklichen, die bei ausreichender Qualität des Ausgangssignals die Herstellungskosten minimieren. Dabei soll das Auslangen mit einer möglichst geringen Anzahl von, überdies günstigen Bauteilen gefunden werden. Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht.
Bei einem Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler umfassend eine erste Modulatorstufe mit einem Eingang für das analoge Eingangssignal, einen Komparator, der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe mit einem Spannungswert zu vergleichen, einen Quantisierer, der dafür konfiguriert ist, durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators mit einer Abtastfrequenz eine Reihe von Digitalsignalen zu erzeugen, sowie eine Rückkopplungsschleife, die das Ausgangssignal des Quantisierers in die erste Modulatorstufe rückkoppelt, ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Modulatorstufe durch ein RC-Glied gebildet wird, und die Rückkopplungsschleife den Ausgang des Quantisierers mit dem Ausgang des RC-Glieds verbindet. Dadurch ergibt sich ein Signalmodulator, der in Anlehnung an bekannte Sigma-Delta- Analog/Digital-Umwandler im Folgenden auch als Signalmodulator erster Ordnung bezeichnet wird.
Erfindungsgemäß wird auch ein Signalmodulator vorgeschlagen, der in weiterer Folge als Signalmodulator zweiter Ordnung bezeichnet wird. Hierbei ist vorgesehen, dass die erste Modulatorstufe durch zwei seriell geschaltete RC-Glieder gebildet wird, und die Rückkopplungsschleife den Ausgang des Quantisierers mit den Ausgängen der beiden RC-Glieder verbindet .
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei dem Quantisierer um einen D-Flipflop.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Analog/Digital-Wandler mit einem erfindungsgemäßen Signalmodulator .
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Anschluss erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt
Fig.l eine Schaltung, mit der sich eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Signalmodulators zweiter Ordnung verwirklichen lässt.
Ausführung der Erfindung
In der Fig.l ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Signalmodulators zweiter Ordnung gezeigt. Die erste
Modulatorstufe wird dabei durch zwei seriell geschaltete RC- Glieder RiCi, R2C2 gebildet. Das analoge Eingangssignal Vin wird dabei dem ersten RC-Glied R1C1 zugeführt. Das Ausgangssignal des zweiten RC-Glieds R2C2 wird einem Komparator Ui zugeleitet, der das Ausgangssignal mit einem vorbestimmten Wert Vref vergleicht. Der Komparator Ui weist hierfür eine positive Stromversorgung Pi auf. Das Ausgangsignal des Komparators Ui wird einem Quantisierer Dl zugeführt, der etwa als D-Flipflop ausgeführt sein kann. Der Schaltweg vom Komparator Ui zum Quantisierer Di kann dabei mit der positiven Stromversorgung Pi über einen Pullup- Widerstand R3 gekoppelt sein. Der D-Flipflop ist in bekannter Weise ein getakteter Flipflop mit einem Informationseingang D, einem Takteingang C, sowie einem Ausgang Q. Die Schaltung des D-Flipflops erfolgt ausschließlich durch die Flanke des Taktimpulses, unabhängig von einer zwischenzeitlichen Zustandsänderung am Informationseingang D. Der Takteingang C kann dabei sowohl bei der steigenden, als auch bei der fallenden Flanke des Taktimpulses geschaltet werden, und übernimmt den am Informationseingang D liegenden Signalpegel verzögert auf den Ausgang Q. Handelsübliche D-Flipflops werden nur bei einer Flanke geschaltet, etwa bei der positiven Flanke, für das Funktionieren der Erfindung ist das aber nicht entscheidend. Liegt keine aktive Taktflanke an, erfolgt keine Übernahme des Eingangswertes am Informationseingang D. Das Ausgangssignal des Quantisierers Di wird über eine Rückkopplungsschleife über einen Widerstand R4 in den Ausgang des ersten RC-Glieds R1C1 rückgekoppelt, sowie über einen weiteren Widerstand R5 in den Ausgang des zweiten RC-Glieds R2C2. Die beiden RC-Glieder R1C1, R2C2 wirken dabei als Integratorschaltungen, sodass die Widerstände Ri, R2, R3, R4 auch als Integratorwiderstände bezeichnet werden können, und die Kondensatoren Ci, C2 der beiden RC-Glieder als Integratorkondensatoren. Eine besonders einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Signalmodulators kann etwa dadurch erreicht werden, indem die Integratorwiderstände Ri, R2, R3, R4 gleich groß gewählt werden.
Bei einem Signalmodulator erster Ordnung wird lediglich ein RC-Glied R1C1 verwendet, wobei die Rückkopplung des Ausgangssignal aus dem Quantisierer Di lediglcih über den Widerstand R4 in den Ausgang dieses einen RC-Glieds erfolgt. Das zweite RC-Glied R2C2, sowie der zusätzliche Widerstand R5 entfallen in diesem Fall.
Eine mögliche Auslegung des erfindungsgemäßen
Signalmodulators zweiter Ordnung gemäß der Ausführungsform von Fig. 1 kann etwa wie folgt gewählt werden:
Pl 3.3 V
Ul LM339
Dl 74AHC74
Vref 3.3V*10/25
R1, R2, R3, R4 10 kOhm
C1, C2 100 nF
R3 1500 Ohm Wandlertakt am
Takteingang C 12 MHz
Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Signalmodulator mit CMOS- Komponenten aufgebaut. Es zeigt sich, dass lediglich eine geringe Versorgungsspannung in Form der positiven Stromversorgung P1 benötigt wird, und dass die erfindungsgemäße Schaltung ansonsten mit wenigen, kostengünstigen Bauteilen das Auslangen findet. Dabei kann etwa mit der in obiger Tabelle angegebenen Auslegung ein Spannungsbereich von -6.6 V bis +6.6 V gewandelt werden, wobei eine Genauigkeit von +/-0.1% des Vollausschlages erreichbar ist. Der Linearitätsfehler beträgt dabei unter 0.05%. Die erreichbare Auflösung liegt bei über 16 bit, bei einer Wandlungszeit von 1 ms.
Es zeigt sich somit, dass der erfindungsgemäße Signalmodulator für Analog/Digital-Umwandler bei ausreichender Qualität des Ausgangssignals die
Herstellungskosten stark reduzieren kann, da mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von, überdies günstigen Bauteilen das Auslangen gefunden werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler umfassend:
- eine erste Modulatorstufe mit einem Eingang für das analoge Eingangssignal,
- einen Komparator (Ui) , der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe mit einem Spannungswert (Pi) zu vergleichen,
- einen Quantisierer (Di) , der dafür konfiguriert ist, durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators (Ui) mit einer
Abtastfrequenz eine Reihe von Digitalsignalen zu erzeugen, sowie
- eine Rückkopplungsschleife, die das Ausgangssignal des Quantisierers in die erste Modulatorstufe rückkoppelt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste Modulatorstufe durch ein RC-Glied (RiCi) gebildet wird, und die Rückkopplungsschleife den Ausgang des Quantisierers (Di) mit dem Ausgang des RC-Glieds (RiCi) verbindet .
2. Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler umfassend:
- eine erste Modulatorstufe mit einem Eingang für das analoge Eingangssignal,
- einen Komparator (Ui) , der dafür konfiguriert ist, das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe mit einem vorgegebenen Spannungswert (Pi) zu vergleichen,
- einen Quantisierer (Di) , der dafür konfiguriert ist, durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators (Ui) mit einer Abtastfrequenz eine Reihe von Digitalsignalen zu erzeugen, sowie
- eine Rückkopplungsschleife, die das Ausgangssignal des Quantisierers (Dx) in die erste Modulatorstufe rückkoppelt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die erste Modulatorstufe durch zwei seriell geschaltete RC-Glieder (RiCi, R2C2) gebildet wird, und die
Rückkopplungsschleife den Ausgang des Quantisierers (Di) mit den Ausgängen der beiden RC-Glieder (RiCi, R2C2) verbindet.
3. Signalmodulator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass es sich bei dem Quantisierer (D1) um einen D-Flipflop handelt.
4. Analog/Digital-Wandler mit einem Signalmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
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