DE69029565T2 - Verfahren und Gerät zur Linearisierung des Ausgangs eines Digitalanalogwandlers - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Digital/Analog-Umwandlungsschaltung und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Linearisieren des Ausgangssignals eines Digital/Analogwandlers.
Hintergrund und Zusammenfassung der Erfindung
• Digital/Analogwandler (DAWs) finden in einer Unzahl elektronischer Vorrichtungen Anwendung. Bei einigen Anwendungen ist es wichtig, daß die Umwandlung von digital in analog sehr genau stattfindet. Beispiele dafür sind Signalanalysegeräte, die sehr genaue analoge Anregungssignale aus entsprechenden digitalen Signaldaten erzeugen müssen. Bei den meisten solchen Anwendungen sind Umwandlungsfehler, die eine Funktion der digitalen Eingangsdaten sind (die hierin nachfolgend als Verzerrung bezeichnet werden), viel bedeutsamer als Fehler, die unkorreliert sind (die hierin nachfolgend als Rauschen bezeichnet werden). Der Rauschanteil jedes Umwandlungsfehlers kann stets durch die Mittelung des Signalverlaufs über der Zeit reduziert werden. Der Verzerrungsanteil des Fehlers kann dies jedoch nicht.
• Um eine D/A-Umwandlung mit geringer Verzerrung zu erreichen, müssen üblicherweise Präzisions-DAWs verwendet werden, die mit fein abgestimmten Komponenten hergestellt wurden. Ein alternativer Lösungsansatz besteht darin, den Verzerrungsfehler eines speziellen Wandlers bei allen möglichen Eingangssignalbedingungen zu quantifizieren und dann eine Korrekturschaltung zu implementieren, die den bekannten Fehler der Schaltung kompensiert. Beide Lösungsansätze sind jedoch aufwendig und für eine Massenproduktion ungeeignet.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Genauigkeit, die vergleichbar mit der ist, die mit Präzisionslösungsansätzen erreicht wird, verwendet jedoch ohne weiteres verfügbare, gebrauchsfertige Komponenten.
• Die US-A-4 644 324 offenbart ein System zum Umwandeln eines Audio-Datensignals oder dergleichen von einer digitalen in eine analoge Form unter der Hinzufügung eines Zitterns (eines weißen Rauschens) zu dem digitalen Eingangssignal, mit oder ohne der nachfolgenden Beseitigung des Zitterns aus dem analogen Ausgangssignal zur Reduzierung des Quantisierungsrauschens. Enthalten ist ein Netzwerk von n Addierern, deren Anzahl gleich der Anzahl der n Bits des codierten Datensignals ist, zum Addieren des digitalen Datensignals und des digitalen Zittersignals in einer Bit-parallelen Form. Das Zittersignal, das durch einen analogen Zittergenerator erzeugt wird, wird durch einen Analog/Digitalwandler vor der Lieferung zu dem Addierernetzwerk in ein codiertes digitales m-Bit-Ausgangssignal transformiert, wobei m kleiner als n ist. Einige, vorzugsweise alle, der m-Bits des digitalen Zittersignals werden jeweils beispielsweise zu zwei unterschiedlichen der n Bits des digitalen Datensignals addiert, derart, daß beispielsweise ein Analog/Digitalwandler für jedes Bit zur Schaffung eines digitalen Zittersignals verwendet werden kann, das zu dem digitalen 16-Bit-Audiosignal addiert werden soll. Das Addierernetzwerk ist für eine Umwandlung der Bit-parallelen Addition des Daten- und des Zitter- Signals in eine analoge Form mit einem Digital/Analogwandler verbunden.
• Merkmale der Erfindung sind durch die Ansprüche 1 bzw. 5 definiert.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Eingangssignal, das an einen herkömmlichen DAW angelegt werden soll, zuerst derart verarbeitet, daß sein Wert mit dem des unverarbeiteten Eingangssignals unkorreliert ist. Diese Verarbeitung kann durch das Hinzufügen einer digitalen Zufalls- oder Pseudozufalls-Zahl zu dem digitalen Eingangssignal bewirkt werden. Die digitale Zufallszahl wird dann durch einen ersten DAW in eine analoge Form umgewandelt, wobei die verarbeitete Summe durch einen zweiten DAW in eine analoge Form umgewandelt wird. Eine analoge Subtraktionsschaltung subtrahiert danach die analoge Version der Zufallszahl von der analogen Version der verarbeiteten Summe. Die Differenz ist das analoge Gegenstück zu dem ursprünglichen digitalen Eingangssignal.
• Für jeden digitalen Eingangsabtastwert ist es gleich wahrscheinlich, daß das Ausgangssignal des ersten DAW jeden der möglichen Verzerrungsfehler, die durch den DAW erzeugt werden, enthält. Das gleiche gilt für das Ausgangssignal aller mit Ausnahme des höchstwertigen Bits des zweiten DAW. Das höchstwertige Bit weist eine bestimmte Korrelation zu dem Eingangssignal auf. Um die Wirkungen dieses Bits auszusondern, wird dasselbe vorteilhafterweise abgeschnitten und einem dritten 1-Bit-DAW zugeführt. Dies beläßt die Ausgangssignale sowohl des ersten als auch des zweiten DAWs unkorreliert mit dem ursprünglichen digitalen Eingangssignal, was bedeutet, daß deren ausgegebene Fehlersignale zufällige Sequenzen (d.h. Rauschen) sind, die aus DAW-Verzerrungsfehlern zusammengesetzt sind. Der Gesamteindruck dieses Rauschsignals ist eine kleine Konstante, die als ein Versatzfehler bezeichnet wird. Wenn es erwünscht ist, kann dieser kleine Versatzfehler durch nachfolgende Verarbeitungsstufen beseitigt werden.
• Die vorherigen und zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels derselben offensichtlich, die bezugnehmend auf die beiliegende Figur durchgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Figur
• Die Figur ist ein schematisches Blockdiagramm einer DAW-Linearisierungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
• Wie in der Figur gezeigt ist, weist eine DAW-Linearisierungsschaltung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Eingang 12 für ein digitales Datensignal, einen Zufallsrauschgenerator 14, einen digitalen Addierer 16, einen ersten und einen zweiten Digital/Analogwandler (DAWs) 18, 20 und eine analoge Kombinierschaltung 22 auf.
• Im Betrieb wird ein digitales Signal, das in eine analoge Form umgewandelt werden soll, an den Eingang 12 für das digitale Signal angelegt. Bei einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel kann dieses Signal 16 Bit breit sein, obwohl die Erfindung nicht darauf begrenzt ist. Der Addierer 16 addiert zu jedem Abtastwert des digitalen Eingangssignals eine digitale Zufallszahl gleicher Breite, hier 16 Bit, von dem Zufallszahlgenerator 14. Da beide Signale, die dem Addierer zugeführt werden, 16 Bit aufweisen, ist die Ausgangssumme ein 17-Bit-Wert.
• Das System wandelt als nächstes das summierte digitale Signal und die digitale Zufallszahl unter Verwendung der DAWs 20 bzw. 18 in analoge Signale um. Schließlich subtrahiert die analoge Kombinierschaltung 22 die analoge Version des Zufallssignals von der analogen Version des summierten Signals, um eine analoge Version des digitalen Eingangsdatensignals als sein Ausgangssignal zu erzeugen.
• Im einzelnen weist der dargestellte zweite DAW 20 hier einen 16-Bit-DAW 24 auf, der in Verbindung mit einem 1-Bit-DAW (oder Analogschalter) 26 arbeitet. Bei dieser Anordnung wird das höchstwertige Bit des digitalen 17-Bit-Summenausgangssignals durch den Addierer 16 abgeschnitten und dem 1-Bit-DAW 26 zugeführt. Die übrigen 16 Bit werden dem 16-Bit-DAW 24 zugeführt. Die Ausgangssignale dieser zwei DAWs sind analoge Stromsignale, die durch eine analoge Summierschaltung 28 summiert werden, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen, das das summierte digitale 17-Bit-Signal darstellt. (Es ist offensichtlich, daß in anderen Ausführungsbeispielen ein 17-Bit-DAW verwendet werden kann, wenn der Korrelation des höchstwertigen ausgegebenen Bit zu dem ursprünglichen digitalen Eingangssignal [die nachfolgend erläutert wird] anderweitig begegnet wird oder dieselbe ignoriert wird).
• Das Ausgangssignal der analogen Summierschaltung 28 wird an einen Eingang der analogen Kombinierschaltung 22 angelegt. An den zweiten Eingang dieser Kombinierschaltung wird ein analoges Stromsignal, das durch den DAW 18 erzeugt wird, angelegt (d.h. eine analoge Version der digitalen Zufallszahl). Das resultierende Differenzsignal wird an einen Operationsverstärker 30 angelegt, der als sein Ausgangssignal ein analoges Spannungssignal erzeugt. Dieses ausgegebene Spannungssignal ist das analoge Gegenstück zu dem digitalen Eingangsdatensignal.
• Für jeden digitalen eingegebenen Abtastwert ist es gleich wahrscheinlich, daß das Ausgangssignal von jedem der zwei 16-Bit-DAWs 18, 24 jeden der möglichen Verzerrungsfehler, die durch diesen DAW erzeugt werden, enthält. Das Fehlersignal an dem Ausgang von jedem dieser DAWs ist folglich eine Zufallssequenz (d.h. ein Rauschen) von DAW-Verzerrungsfehlern. Der Gesamteindruck dieses Rauschsignals ist eine kleine Konstante, die als ein Versatzfehler bezeichnet wird. Folglich kann im Mittel nur ein Versatzfehler und ein unkorreliertes Rauschen durch die 16-Bit-DAWs 18, 24 für jeden gegebenen Ausgangsabtastwert zu dem analogen Ausgangssignal addiert werden. Dies gilt ebenso für Einschwingfehler. Da aufeinanderfolgende Zufallszahlen von dem Zufallszahlgenerator 14 zu den Eingangsabtastwerten und zueinander unkorreliert sind, ist dieser Fehler ebenfalls ein unkorreliertes Rauschen und weist einen konstanten Mittelwert auf.
• Das Ausgangssignal des 1-Bit-DAWs 26 ist etwas korreliert zu der digitalen Eingangssequenz. Da derselbe jedoch ein 1-Bit-DAW ist, sind nur verstärkungs- und Versatz-Fehler möglich. Verzerrungsfehler zweiter und höherer Ordnung sind für einen perfekt stabilen 1-Bit-DAW (beispielsweise einem solchen, der nicht mit der Temperatur und der Zeit driftet) nicht möglich. Wenn Einschwingfehler, beispielsweise die Anstiegsgeschwindigkeit, betrachtet werden, kann ein nicht-linearer Ausdruck auftreten, wird jedoch nur eine leichte lineare Filterung des Signals bewirken, wenn die Einschwingfehler in beiden Richtungen angepaßt sind (wenn beispielsweise die Anstiegsgeschwindigkeit in beiden Richtungen die gleiche ist). Eine derartige lineare Filterung modifiziert das Signal auf eine Art und Weise, die ohne weiteres durch ein lineares analoges oder digitales Filter korrigiert werden kann.
• Zusammenfassend sind die einzigen Fehler, die in dem analogen Ausgangssignal auftreten, Verstärkungsfehler, Versatzfehler, Artefakte der linearen Filterung (aufgrund von Einschwingfehlern) und unkorreliertes Rauschen. Das Ausgangssignal ist daher eine Zufallsvariable mit einem Mittelwert, der eine lineare Funktion des Eingangssignals ist (beispielsweise ohne Ausdrücke zweiter oder höherer Ordnung in seiner Polynomentwicklung), gekoppelt mit einem linearen Filterungseffekt. Die Fehlerausdrücke können durch ein Mitteln oder andere Arten einer linearen Filterung weiter reduziert werden, wenn es erwünscht ist.

Claims (6)

1. Ein Digital/Analog-Umwandlungsverfahren mit geringer Verzerrung, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen eines N-Bit-Abtastwerts eines digitalen Eingangsdatensignals;

Erzeugen einer digitalen N-Bit-Zufallszahl;

Addieren des N-Bit-Abtastwerts und der N-Bit-Zufallszahl, um eine kombinierte digitale N+1-Bit-Zahl zu ergeben;

Umwandeln der N-Bit-Zufallszahl in ein erstes analoges Signal;

Umwandeln der kombinierten digitalen N+1-Bit-Zahl in ein zweites analoges Signal; und

Subtrahieren des ersten analogen Signals von dem zweiten analogen Signal, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen, das dem digitalen Eingangsdatenabtastwert entspricht;

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die Umwandlung der kombinierten digitalen N+1-Bit-Zahl durch folgende Schritte durchgeführt wird:

Umwandeln des höchstwertigen Bits der kombinierten digitalen N+1-Bit-Zahl in ein drittes analoges Signal unter Verwendung eines 1-Bit-D/A-Wandlers;

Umwandeln der N niederstwertigen Bits der kombinierten digitalen N+1-Bit-Zahl in ein viertes analoges Signal unter Verwendung eines N-Bit-D/A-Wandlers; und

Summieren des dritten und des vierten analogen Signals, um das zweite analoge Signal zu ergeben;

wobei die Verwendung der getrennten 1-Bit- und N-Bit- D/A-Wandler statt eines N+1-Bit-Signal-D/A-Wandlers eine Korrelation zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal reduziert.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Erzeugens das Erzeugen einer digitalen N-Bit-Zufallszahl aufweist, wobei jedes der N Bits der digitalen Zufallszahl mit allen anderen N Bits der digitalen Zufallszahl unkorreliert ist.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Mitteln des analogen Ausgangssignals über die Zeit aufweist.

4. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, das ferner das Beseitigen eines Versatzfehlers aus dem analogen Ausgangssignal aufweist.

5. Digital/Analog-Signal-Umwandlungssystem (10) mit geringer Verzerrung, das folgende Merkmale aufweist:

eine Einrichtung (12) zum Empfangen eines digitalen N- Bit-Eingangsdatensignals;

eine Quelle (14) eines digitalen N-Bit-Rauschsignals;

eine Kombiniereinrichtung (16) zum Kombinieren des digitalen N-Bit-Eingangsdatensignals mit dem digitalen N-Bit-Rauschsignal, um ein kombiniertes digitales (N+1)-Bit-Signal zu erzeugen;

eine erste Wandlereinrichtung (18) zum Umwandeln des digitalen N-Bit-Rauschsignals in ein erstes analoges Signal;

eine zweite Wandlereinrichtung (20) zum Umwandeln des kombinierten digitalen (N+1)-Bit-Signals in ein zweites analoges Signal; und

eine Einrichtung (22) zum Subtrahieren des ersten analogen Signals von dem zweiten, um ein analoges Ausgangssignal mit geringer Verzerrung zu ergeben, das eine Größe aufweist, die dem digitalen N-Bit-Eingangsdatensignal entspricht;

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wandlereinrichtung (20) folgende Merkmale aufweist:

einen 1-Bit-D/A-Wandler (26) zum Umwandeln des höchstwertigen Bits der kombinierten digitalen N+1-Bit-Zahl in ein drittes analoges Signal;

einen N-Bit-D/A-Wandler (24) zum Umwandeln der N niederstwertigen Bits der kombinierten digitalen N+1-Bit- Zahl in ein viertes analoges Signal; und

eine Einrichtung (28) zum Summieren des dritten und des vierten analogen Signals, um das zweite analoge Signal zu ergeben;

wobei die Verwendung der getrennten 1-Bit- und N-Bit- D/A-Wandler statt eines N+1-Bit-Signal-D/A-Wandlers eine Korrelation zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangssignal reduziert.

6. Das System gemäß Anspruch 5, bei dem die erste und die zweite Wandlereinrichtung (18, 20) eine Einrichtung zum Umwandeln der digitalen Eingangssignale in analoge Ausgangsstromsignale aufweisen.