AT506180B1

AT506180B1 - SIGNAL MODULATOR FOR ANALOG / DIGITAL CONVERTER

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: AT506180A1; WO2009074386A1; 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.A signal modulator for analog-to-digital converter comprising: a first modulator stage having an input for the analog input signal, a comparator (U1) configured to compare the output of the first modulator stage with a voltage value (P1), a quantizer (D1) configured to generate a series of digital signals by sampling the output signal of the comparator (U1) at a sampling frequency, and a feedback loop feeding back the output of the quantizer to the first modulator stage, according to the invention the first modulator stage is formed by at least one RC element (R1C1), and the feedback loop connects the output of the quantizer (D1) to the output of the at least one RC element (R1C1).

Description

österreichisches Patentamt AT506180B1 2012-05-15Austrian Patent Office AT506180B1 2012-05-15

Beschreibungdescription

SIGNALMODULATOR FÜR ANALOG/DIGITAL-WANDLERSIGNAL MODULATOR FOR ANALOG / DIGITAL CONVERTER

[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.The invention relates to a generic signal modulator for analog-to-digital converter, as defined in the preamble of claim 1 and 2. In particular, it comprises a first modulator stage having an input for the analog input signal, a comparator to which the output signal of the first modulator stage is fed in order to compare it with a predetermined voltage value, a quantizer to which the output signal of the comparator is fed and to the output thereof Scanning the output signal of the comparator with a sampling frequency as an output signal, a series of digital signals is applied, and a feedback loop, by means of which the output signal of the quantizer is connected to the first modulator stage.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

[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.Many electronic or electromechanical products require the conversion of analog electronic signals into digital signals, such as for further processing by a microprocessor. An analog-to-digital converter known in the art for this purpose is the sigma-delta analog-to-digital converter. In general, such a converter has a sigma-delta modulator and a digital filter. As a rule, 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. The feedback loop couples analog signals back to the first modulator stage, where they are combined with an analog input signal. For example, in the first modulator stage, 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.

[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.Converters of this type have numerous applications, such as in consumer electronics, in telecommunications, or digital signal processors, with numerous ways have been described to achieve optimizations in terms of sampling rate, linearity, resolution, or signal / noise ratio. But there are also applications in which analog / digital converters are needed for comparatively simple requirements, such as 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.

[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.From JP 10-303753 A is known a signal modulator, which is the digitization of two variables, wherein for calibration, an RC element is provided, whose output signal is available as a reference value to the negative inputs of three comparators. The capacitor of the RC element is thereby either charged by means of a pulsed signal generated by a microcomputer at the output or discharged in the absence of this signal via the diode. This complex circuit does not meet the requirement of a simple construction.

[0005] Ein in der US 5 041 832 A offenbarter A/D-Wandler umfasst einen Komparator und Rückkoppelschleifen innerhalb einer aufwendigen Schaltung.An A / D converter disclosed in US 5 041 832 A includes a comparator and feedback loops within a complex circuit.

[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 2012-05-15DE 32 37 552 A1 shows a signal modulator for A / D converter. Here, two feedback loops are required to achieve the desired signal modulation. 1/5 Austrian Patent Office AT506180B1 2012-05-15

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

[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.It is therefore the object of the invention to avoid these disadvantages and to realize signal modulators for analog / digital converters, which minimize production costs with sufficient quality of the output signal. In this case, the Auslangen should be found with the least possible number of, moreover, cheap components. These objects are achieved by the features of claim 1.

[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.In a signal modulator for analog-to-digital converter comprising a first modulator stage having an input for the analog input signal, a comparator to which the output of the first modulator stage is fed to compare this with a predetermined voltage value, a quantizer, the Output of the comparator is supplied and applied to the output by scanning the output of the comparator with a sampling frequency as an output signal a series of digital signals, and a feedback loop, by means of which the output signal of the quantizer is connected to the first modulator stage, is provided according to the invention that the first modulator stage is formed by an RC element, and the feedback loop connects the output of the quantizer to the output of the RC element. This results in a signal modulator, which is referred to in the following as a first-order signal modulator based on known sigma-delta analog / digital converter.

[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.According to the invention, a signal modulator is also proposed, which will be referred to as a 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.

[0010] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung handelt es sich bei dem Quantisierer um einen D-Flipflop.According to an advantageous embodiment, the quantizer is a D flip-flop.

[0011] Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf einen Analog/Digital-Wandler mit einem erfindungsgemäßen Signalmodulator.Furthermore, the invention relates to an analog / digital converter with a signal modulator according to the invention.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[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.Following is now a detailed description of the invention with reference to an embodiment. 1 shows a circuit with which an embodiment of a second-order signal modulator according to the invention can be realized.

AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGEMBODIMENT OF THE INVENTION

[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.In Fig. 1, an embodiment of a second-order signal modulator according to the invention is shown. The first modulator stage is formed by two series-connected RC elements RiCl R2C2. The analog input signal Vin is supplied to the first RC element R ^ i. The output signal of the second RC element R2C2 is a comparator U! supplied, which compares the output signal with a predetermined value Vref. The comparator Ui has for this purpose a positive power supply P1. The output signal of the comparator Ui is fed to a quantizer D1, which may be designed as a D flip-flop, for example. The switching path from the comparator Ui to the quantizer Di can be coupled to the positive power supply Pi via a pull-up resistor R3. 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 for the functioning of the invention, the 2/5 Austrian Patent Office AT506180B1 2012-05-15 is not crucial. If there is no active clock edge, the input value at the information input D is not taken over. The output signal of the quantizer Di is fed back via a feedback loop via a resistor R4 into the output of the first RC element R ^, and via a further resistor R5 into the output of the second RC element R2C2. The two RC elements R ^ i, R2C2 act as integrator circuits, so that the resistors R1; R2, R3, R4 may also be referred to as integrator resistors, and the capacitors C1; C2 of the two RC elements 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, R2, R3, R4 to be the same size.

[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.In a first-order signal modulator only one RC element R1C1 is used, wherein the feedback of the output signal from the quantizer Di takes place only via the resistor R4 in the output of this one RC element. The second RC element R2C2, as well as the additional resistor R5 are omitted in this case.

[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.A possible design of the second-order signal modulator according to the embodiment of FIG. 1 according to the invention can be chosen approximately as follows: P1 3.3 V [0018] U1 LM339 [0019] D1 74AHC74 [0020] Vref 3.3V * 10 / 25 R1; R2, R3, R4 10 kΩ [0022] Ci, C2 100 nF R3 1500 ohm converter clock at clock input C 12 MHz [0026] The invention is preferably constructed. It turns out that only a small supply voltage in the form of the positive power supply Pi is needed, and that the circuit according to the invention otherwise copes with a few, cost-effective components. In this case, 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.

[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. 3/5It thus turns out that the signal modulator according to the invention for analog / digital converter with sufficient quality of the output signal can greatly reduce the production costs, as with a comparatively small number of, moreover, cheap components Auslangen can be found. 3.5

Claims

Austrian Patent Office AT506 180 B1 2012/05/15 Claims 1. Signal modulator for analog / digital converter comprising: - a first modulator stage with an input for the analog input signal, - a comparator (Ih), to which the output signal of the first modulator stage is fed, to compare this with a given voltage value (Vref), - a quantizer (D ^) to which the output signal of the comparator (L ^) is supplied and at its output (Q) by sampling the output signal of the comparator (Ui) at a sampling frequency as A feedback loop, by means of which the output signal of the quantizer (D) is connected to the first modulator stage, characterized in that the first modulator stage is formed by an RC element (R1C1), and the feedback loop Output (Q) of the quantizer (D ^ connects to the output of the RC element (R1C1).

2. Signal modulator for analog / digital converter comprising: - a first modulator stage having an input for the analog input signal, - a comparator (Ui), which is supplied with the output signal of the first modulator stage to compare this with a predetermined voltage value (Vref) - a quantizer (Di) to which the output signal of the comparator is supplied and at the output (Q) of which is sampled by sampling the output signal of the comparator (Ui) with a sampling frequency as the output signal, a series of digital signals, and - a feedback loop by means of which Output of the quantizer (D ^ is connected to the first modulator stage, characterized in that the first modulator stage by two series-connected RC elements (R ^, R2C2) is formed, and the feedback loop the output (Q) of the quantizer (D ^ connects the outputs of the two RC elements (R-1C1, R2C2).

3. Signal modulator according to claim 1 or 2, characterized in that it is the quantizer (D ^ is a D flip-flop.

4. Analog / digital converter with a signal modulator according to one of claims 1 to 3. For this purpose 1 sheet drawings 4/5