AT506180B1

AT506180B1 - Signalmodulator für analog/digital-wandler

Info

Publication number: AT506180B1
Application number: AT20072007A
Authority: AT
Inventors: Gerald Hoerist
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2012-05-15
Also published as: WO2009074386A1; AT506180A1; EP2220770A1

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

österreichisches Patentamt AT506180B1 2012-05-15

Beschreibung

SIGNALMODULATOR FÜR ANALOG/DIGITAL-WANDLER

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen gattungsgemäßen Signalmodulator für Ana-log/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, welchem das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe zugeleitet ist, um dieses mit einem vorgegebenen Spannungswert zu vergleichen, einen Quantisierer, dem das Ausgangssignal des Komparators zugeführt ist und an dessen Ausgang durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators mit einer Abtastfrequenz als Ausgangssignal eine Reihe von Digitalsignalen anliegt, sowie eine Rückkopplungsschleife, mittels der die das Ausgangssignal des Quantisierers an die erste Modulatorstufe angeschaltet ist.

STAND DER TECHNIK

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] Aus der JP 10-303753 A kennt man einen Signalmodulator, welcher der Digitalisierung zweier Messgrößen dient, wobei zur Kalibrierung ein RC-Glied vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal als Referenzwert an den negativen Eingängen dreier Komparatoren zur Verfügung steht. Der Kondensator des RC-Glieds wird dabei mittels eines von einem Mikrocomputer am Ausgang erzeugten gepulsten Signals entweder geladen oder bei Fehlen dieses Signals über die Diode entladen. Diese komplexe Schaltung erfüllt nicht die Anforderung eines einfachen Aufbaus.

[0005] Ein in der US 5 041 832 A offenbarter A/D-Wandler umfasst einen Komparator und Rückkoppelschleifen innerhalb einer aufwendigen Schaltung.

[0006] Die DE 32 37 552 A1 zeigt einen Signalmodulator für A/D-Wandler. Hierbei sind zwei Rückkoppelschleifen erforderlich, um die gewünschte Signalmodulation zu erreichen. 1 /5 österreichisches Patentamt AT506180B1 2012-05-15

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0007] 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.

[0008] Bei einem Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler umfassend eine erste Modulatorstufe mit einem Eingang für das analoge Eingangssignal, einen Komparator, welchem das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe zugeleitet ist, um dieses mit einem vorgegebenen Spannungswert zu vergleichen, einen Quantisierer, dem das Ausgangssignal des Komparators zugeführt ist und an dessen Ausgang durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators mit einer Abtastfrequenz als Ausgangssignal eine Reihe von Digitalsignalen anliegt, sowie eine Rückkopplungsschleife, mittels der das Ausgangssignal des Quantisierers an die erste Modulatorstufe angeschaltet ist, 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.

[0009] 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.

[0010] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei dem Quantisierer um einen D-Flipflop.

[0011] Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Analog/Digital-Wandler mit einem erfindungsgemäßen Signalmodulator.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0012] Im Anschluss erfolgt nun eine detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt [0013] Fig. 1 eine Schaltung, mit der sich eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Signalmodulators zweiter Ordnung verwirklichen lässt.

AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0014] In der Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Signalmodulators zweiter Ordnung gezeigt. Die erste Modulatorstufe wird dabei durch zwei seriell geschaltete RC-Glieder RiCl R2C2 gebildet. Das analoge Eingangssignal Vin wird dabei dem ersten RC-Glied R^i zugeführt. Das Ausgangssignal des zweiten RC-Glieds R2C2 wird einem Komparator U! zugeleitet, der das Ausgangssignal mit einem vorbestimmten Wert Vref vergleicht. Der Komparator Ui weist hierfür eine positive Stromversorgung P1 auf. Das Ausgangsignal des Komparators Ui wird einem Quantisierer D1 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 2/5 österreichisches Patentamt AT506180B1 2012-05-15 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 R^ rückgekoppelt, sowie über einen weiteren Widerstand R5 in den Ausgang des zweiten RC-Glieds R2C2. Die beiden RC-Glieder R^i, R2C2 wirken dabei als Integratorschaltungen, sodass die Widerstände R1; R2, R3, R4 auch als Integratorwiderstände bezeichnet werden können, und die Kondensatoren C1; 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.

[0015] Bei einem Signalmodulator erster Ordnung wird lediglich ein RC-Glied R1C1 verwendet, wobei die Rückkopplung des Ausgangssignal aus dem Quantisierer Di lediglich 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.

[0016] Eine mögliche Auslegung des erfindungsgemäßen Signalmodulators zweiter Ordnung gemäß der Ausführungsform von Fig. 1 kann etwa wie folgt gewählt werden: [0017] P1 3.3 V [0018] U1 LM339 [0019] D1 74AHC74 [0020] Vref 3.3V*10/25 [0021] R1; R2, R3, R4 10 kOhm [0022] Ci, C2 100 nF [0023] R3 1500 Ohm [0024] Wandlertakt am [0025] Takteingang C 12 MHz [0026] Bevorzugt wird der erfindung baut. Es zeigt sich, dass lediglich eine geringe Versorgungsspannung in Form der positiven Stromversorgung Pi 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.

[0027] 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. 3/5

Claims

österreichisches Patentamt AT506 180 B1 2012-05-15 Patentansprüche 1. Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler umfassend: - eine erste Modulatorstufe mit einem Eingang für das analoge Eingangssignal, - einen Komparator (Ih), welchem das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe zugeleitet ist, um dieses mit einem vorgegebenen Spannungswert (Vref) zu vergleichen, - einen Quantisierer (D^, dem das Ausgangssignal des Komparators (L^) zugeführt ist und an dessen Ausgang (Q) durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators (Ui) mit einer Abtastfrequenz als Ausgangssignal eine Reihe von Digitalsignalen anliegt, sowie - eine Rückkopplungsschleife, mittels der das Ausgangssignal des Quantisierers (D^ an die erste Modulatorstufe angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Modulatorstufe durch ein RC-Glied (R1C1) gebildet wird, und die Rückkopplungsschleife den Ausgang (Q) des Quantisierers (D^ mit dem Ausgang des RC-Glieds (R1C1) verbindet.
2. Signalmodulator für Analog/Digital-Wandler umfassend: - eine erste Modulatorstufe mit einem Eingang für das analoge Eingangssignal, - einen Komparator (Ui), welchem das Ausgangssignal der ersten Modulatorstufe zugeleitet ist, um dieses mit einem vorgegebenen Spannungswert (Vref) zu vergleichen, - einen Quantisierer (Di), dem das Ausgangssignal des Komparators zugeführt ist und an dessen Ausgang (Q) durch Abtasten des Ausgangssignals des Komparators (Ui) mit einer Abtastfrequenz als Ausgangssignal eine Reihe von Digitalsignalen anliegt, sowie - eine Rückkopplungsschleife, mittels der das Ausgangssignal des Quantisierers (D^ an die erste Modulatorstufe angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Modulatorstufe durch zwei seriell geschaltete RC-Glieder (R^, R2C2) gebildet wird, und die Rückkopplungsschleife den Ausgang (Q) des Quantisierers (D^ mit den Ausgängen der beiden RC-Glieder (R-1C1, R2C2) verbindet.
3. Signalmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Quantisierer (D^ um einen D-Flipflop handelt.
4. Analog/Digital-Wandler mit einem Signalmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5