DE102007020477A1

DE102007020477A1 - Sigma-Delta-Modulator und Verfahren zum Erzeugen eines Sigma-Delta-Modulationssignals

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Publication number: DE102007020477A1
Application number: DE200710020477
Authority: DE
Inventors: Maurits Prof. Dr. Ortmanns
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: DE102007020477B4

Abstract

Ein Sigma-Delta-Modulator (1) hat eine Regelschleife, in der ein Multi-Level-Quantisierer (4) und ein Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer (5) angeordnet sind, der mindestens drei erste elektrische Einheitsschaltungen (6a) hat, die jeweils ein erstes Einheitselement (7a) und ein damit verbundenes erstes Schaltelement (8a) zum Zu- oder Abschalten des ersten Einheitselements (7a) aufweisen. Das erste über den es durch Anlegen eines Steuersignals betätigbar ist. Der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer (5) hat eine zweite Einheitsschaltung (6b) mit einem einen zweiten Steuereingang aufweisenden zweiten Schaltelement (8b) und einem zweiten Einheitselement (7b). Eine Testsignalquelle (14) und der Ausgang des Multi-Level-Quantisierers (4) sind über eine Vertauscheinrichtung (13) mit den Steuereingängen derart verbindbar, dass in einem ersten Betriebszustand das Testsignal an den Steuereingang anlegbar ist und in zweiten Betriebszuständen jeweils ein für den Steuereingang einer ersten Einheitsschaltung (6a) vorgegebenes Steuersignal an den Steuereingang der zweiten Einheitsschaltung (6b) und das Testsignal an den Steuereingang der betreffenden ersten Einheitsschaltung (6a) anlegbar ist. Zum Ermitteln von Kenngrößen für die ersten Einheitsschaltungen (6a) ist eine Korrelationseinrichtung (15) mit dem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers (4) und der Testsignalquelle (14) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sigma-Delta-Modulator, insbesondere für einen Multibit-Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzer, mit einer Regelschleife, in der zumindest ein Multi-Level-Quantisierer und ein Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer angeordnet sind, wobei der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer mindestens drei erste elektrische Einheitsschaltungen hat, die jeweils ein erstes Einheitselement und ein damit verbundenes erstes Schaltelement zum Zu- oder Abschalten des ersten Einheitselements aufweisen, wobei das erste Schaltelement einen ersten Steuereingang hat, über den es durch Anlegen eines Steuersignals betätigbar ist, und wobei die ersten Steuereingänge mit einem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers in Steuerverbindung stehen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Sigma-Delta-Modulationssignals aus einem analogen Eingangssignal, wobei aus dem Eingangssignal und einem analogen Rückkopplungssignal ein Differenzsignal gebildet und aus diesem Differenzsignal durch Quantisieren ein digitales Regelschleifenausgangssignal erzeugt wird, wobei ein Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer mit ersten elektrischen Einheitselementen bereitgestellt wird, wobei das Regelschleifenausgangssignal in ein entsprechendes Analogsignal umgesetzt wird, indem für jedes erste Einheitselement in Abhängigkeit vom Regelschleifenausgangssignal ein Steuersignal erzeugt und die ersten Einheitselemente derart angesteuert werden, dass sie in Abhängigkeit von den Steuersignalen aktiviert oder deaktiviert sind, und wobei das so erhaltene Analogsignal das Rückkopplungssignal bildet.
Eine derartiger Sigma-Delta-Modulator und ein derartiges Vefhahren sind aus S. Yan, E. Sanchez-Sinencio, "A Continuous-Time SD Modulator With 88-dB Dynamic Range and 1.1-MHz Signal Bandwidth, IEEE Journal of Solid-State Circ., Vol. 39, No. 1, Jan. 2004, Seiten 75–86 bekannt. Der Sigma-Delta-Modulator weist eine Regelschleife auf, in der ein Subtraktionsglied, ein Schleifenfilter, ein Multi-Level-Quantisierer und ein Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer angeordnet sind. Mit Hilfe des Subtraktionsglieds wird das von dem im Rückkopplungszweig der Regelschleife angeordneten Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer erzeugte analoge Ausgangssignal von einem analogen Eingangssignal des Sigma-Delta-Modulators subtrahiert. Das so erhaltene analoge Differenzsignal wird mittels des Schleifenfilters tiefpassgefiltert und dann mit Hilfe des Multi-Level-Quantisierers in ein entsprechendes digitales Signal umgesetzt, das nachstehend auch als Regelschleifenausgangssignal bezeichnet wird. Das Regelschleifenausgangssignal wird an den Eingang des Multilevel-Digital-Analog-Umsetzers angelegt.
Durch den in den Rückkopplungszweig der Regelschleife geschalteten Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer ist es möglich, einen Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer mit mittlerer Auflösung und mittlerer Umsetzrate auch für Anwendungen mit hoher Auflösung und/oder hoher Umsetzrate einzusetzen, beispielsweise in hoch auflösenden Audioumsetzern und Front-End-Schaltungen von Mobilfunkgeräten sowie Schnittstellen in Kommunikations- und Informationseinrichtungen.
Der Digital-Analog-Umsetzer hat eine Anzahl von Einheitsschaltungen, die jeweils eine Einheitsstromquelle als Einheitselement aufweisen. Jede Einheitsstromquelle ist jeweils mit Hilfe eines Schaltelements zu- oder abschaltbar. Zum Erzeugen eines dem Regelschleifenausgangssignal entsprechenden analogen Ausgangssignals werden die Schaltelemente in Abhängigkeit von dem Regelschleifenausgangssignal betätigt, wobei sich das Ausgangssignal des Digital-Analog-Umsetzers aus der Überlagerung bzw. der Addition der Ströme der Einheitsstromquellen ergibt.
Da die Genauigkeit des Regelschleifenausgangssignals maßgeblich durch die Linearität des internen Digital-Analog-Umsetzers bestimmt wird, weist jede Einheitsstromquelle jeweils eine Hauptstromquelle und eine parallel dazu geschaltete, verstellbare Korrekturstromquelle auf Der durch die Hauptstromquelle fließende Hauptstrom ist größerer als der durch die Korrekturstromquelle fließende Korrekturstrom. Um trotz der vorhandenen Toleranzen der Hauptstromquellen eine möglichst gute Linearität des Digital-Analog-Umsetzers zu erreichen, werden die einzelnen Einheitsstromquelle bei einem Kalibrierungsschritt nacheinander mit einer Referenzstromquelle in Reihe geschaltet, wobei die Korrekturstromquelle jeweils so eingestellt wird, dass die Summe aus dem Hauptstrom und dem Korrekturstrom einem von der Referenzstromquelle vorgegebenen Referenzstrom entspricht. Diese Vorgehensweise ermöglicht jedoch nur den Ausgleich statischer Fehler, d. h. es werden die relativen Fehler der eingeschwungenen Einheitsstromquellen kompen siert. Dynamische Fehler durch unterschiedliche Verzögerungszeiten sowie unterschiedliches Einschwingverhalten der Einheitsstromquellen werden nicht ausgeglichen. Ungünstig ist außerdem, dass die Korrekturstromquellen einen nicht unerheblichen zusätzlichen Schaltungsaufwand erfordern.
Es besteht deshalb die Aufgabe, einen Sigma-Delta-Modulator der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen einfachen Aufbau aufweist und es ermöglicht, dynamische und statische Abweichungen, welche die einzelnen Einheitsschaltungen zueinander aufweisen, zu bestimmen. Außerdem besteht die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem auf einfache Weise dynamische und statische Abweichungen der einzelnen Einheitsschaltungen ermittelt werden können.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Sigma-Delta-Modulators dadurch gelöst, dass der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer eine zweite Einheitsschaltung mit einem zweiten Schaltelement und einem zweiten Einheitselement aufweist, dass das zweite Schaltelement einen zweiten Steuereingang hat, dass zum Erzeugen eines Testsignals eine Testsignalquelle mit einem Quellenausgang für das Testsignal vorgesehen ist, dass der Quellenausgang und der Ausgang des Multi-Level-Quantisierers über eine Vertauschungseinrichtung mit den ersten Steuereingängen und dem zweiten Steuereingang derart verbindbar ist, dass in einem ersten Betriebszustand das Testsignal an den Steuereingang anlegbar ist und in zweiten Betriebszuständen jeweils ein für den Steuereingang einer ersten Einheitsschaltung vorgesehenes Steuersignal an den Steuereingang der zweiten Einheitsschaltung und das Testsignal an den Steuereingang der betreffenden ersten Einheitsschaltung anlegbar ist, und dass eine Korrelationseinrichtung vorgesehen ist, die einen ersten, mit dem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers direkt oder indirekt verbundenen Korrelationseingang, einen zweiten, mit dem Quellenausgang für das Testsignal verbundenen Korrelationseingang und einen Korrelationsausgang zur Ausgabe von Kenngrößen zumindest für die ersten Einheitsschaltungen aufweist.
Bezüglich des Verfahrens wird die vorstehend genannte Aufgabe dadurch gelöst,

a) dass der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer derart bereitgestellt wird, dass er zusätzlich zu den ersten Einheitselementen ein zweites Einheitselement aufweist,
b) dass ein sich änderndes Testsignal erzeugt wird,
c) dass das zweite Einheitselement mit dem Testsignal angesteuert wird,
d) dass das Regelschleifenausgangssignal oder ein daraus erzeugtes Signal zum Gewinnen einer Kenngröße für das zweite Einheitselement mit dem Testsignal korreliert wird,
e) dass mit einem der Steuersignale das zweite Einheitselement und mit dem Testsignal das diesem Steuersignal zugeordnete erste Einheitselement angesteuert werden,
f) dass das Regelschleifenausgangssignal oder ein daraus erzeugtes Signal zum Gewinnen einer Kenngröße zumindest für das erste Einheitselement mit dem Testsignal korreliert wird,
g) und dass die Schritte e) und f) zumindest für jedes erste Einheitselement jeweils mindestens einmal durchgeführt werden.

Der Digital-Analog-Umsetzer hat also ein scheinbar überflüssiges zusätzliches zweites Einheitselement, das vorzugsweise mit den ersten Einheitselementen bezüglich seines Ersatzschaltbilds übereinstimmt und insbesondere mit diesen baugleich ist. Das zweite Einheitselement kann von der Vertauschungseinrichtung als Ersatz für jedes erste Einheitselement des Digital-Analog-Umsetzers in den laufenden Betrieb eingeschaltet werden, wobei das betreffende erste Einheitselement jeweils aus dem laufenden Betrieb entfernt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das dem betreffenden ersten Einheitselement zugeordnete Steuersignal an den Steuereingang des zweiten Einheitselements angelegt wird und an den Steuereingang dieses ersten Einheitselements das veränderliche Testsignal angelegt wird. Das von der Testsignalquelle bereitgestellte Testsignal wird nun zu vorgegebenen Zeiten oder dauerhaft auf die aktuell separierte Einheitsschaltung gegeben, also entweder auf die zweite Einheitsschaltung oder auf die erste Einheitsschaltung, die gerade mit Hilfe der Vertauschungseinrichtung durch die zweite Einheitsschaltung im laufenden Betrieb ersetzt wird. Hierdurch wird in den Digital-Analog-Umsetzer eine Sequenz eingespeist, die nur von der aktuell separierten Einheitsschaltung und der Sequenz des Testsignals abhängt.
Diese Sequenz ist modifiziert in dem am Ausgang des Multilevel-Quantisierers anliegenden digitalen Regelschleifenausgangssignal oder einem daraus erzeugten Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators wieder zu finden. Durch Korrelati on des Regelschleifenausgangssignal oder des daraus erzeugten Ausgangssignals mit dem Testsignal kann ein für die betreffende erste Einheitsschaltung charakteristischer Wert gefunden werden. Dieser Wert oder diese Kenngröße ist abhängig vom statischen Ausgangssignal der Einheitsschaltung und von der Dynamik der Einheitsschaltung, also vom Ein- und Ausschaltzeitpunkt und vom Einschwingverhalten. Auf diese Weise kann nacheinander für jede separierte und mit dem Testsignal beaufschlagte Einheitsschaltung eine entsprechende Kenngröße gefunden werden, der proportional zum dynamischen und statischen Fehler der Einheitsschaltung ist. Das Einheitselement kann insbesondere eine Stromquelle, ein mit einer Spannungsquelle verbindbarer elektrischer Widerstand und/oder ein Kondensator sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Sigma-Delta-Modulator eine Einrichtung zur Nachbildung der Übertragungsfunktion vom Quellenausgang der Testsignalquelle zu einem mit dem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers direkt oder indirekt verbundenen ersten Eingang eines Differenzglieds auf, wobei der Quellenausgang über die Einrichtung zur Nachbildung der Übertragungsfunktion mit einem zweiten Eingang des Differenzglieds verbunden ist. Bei einem Sigma-Delta-Modulator, der in einen Sigma-Delta-Analog-Digitalumsetzer integriert ist, ist der Ausgang des Multi-Level-Quantisierers bevorzugt über einen Codewandler und/oder ein Dezimationsfllter indirekt mit dem ersten Eingang eines Differenzglieds verbunden. Das Testsignal wird also aus dem digitalen Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators oder des Sigma-Delta-Analog-Digitalumsetzers herausgerechnet, damit es die Auflösung des Sigma-Delta-Modulators bzw. Sigma-Delta-Analog-Digitalumsetzers im laufenden Betrieb nicht Wesentlich stört. Somit können die Kenngrößen während des laufenden Betriebs im Hintergrund ermittelt werden.
Die Testsignalquelle ist bevorzugt eine Rauschquelle, mit der insbesondere ein pseudo-zufälliges weißes Rauschen erzeugbar ist. Das aus dem analogen Eingangssignal erzeugte digitale Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators bzw. Sigma-Delta-Analog-Digitalumsetzers wird dann noch weniger gestört, wenn das Testsignal während des laufenden Betriebs in den internen Multibit-Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzer eingespeist wird.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Korrelationsausgang zum Speichern der Kenngrößen für die Abweichungen zumindest der ersten Einheitsschaltungen mit einem Datenspeicher verbunden, und an dem Datenspeicher ist eine Kompensationseinrichtung angeschlossen, die derart ausgestaltet ist, dass sie in Abhängigkeit von den Kenngrößen die durch die Abweichungen der Einheitsschaltungen in einem Ausgangssignal des Multi-Level-Quantisierers und/oder in einem am ersten Eingang des Differenzglieds anliegenden Digitalsignal auftretenden Fehler zumindest teilweise kompensiert. Dabei ist es sogar möglich, dass diese digitale Kompensation während des laufenden Betriebs des Sigma-Delta-Modulators bzw. Sigma-Delta-Analog-Digitalumsetzers vorgenommen wird, beispielsweise um eine durch eine Temperaturveränderung bewirkte Abweichung einer Einheitsquelle relativ zu den anderen Einheitsquellen auszugleichen.
Vorteilhaft ist, wenn die Kompensationseinrichtung mindestens eine dritte Einheitsschaltung für den Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer umfasst, die ein drittes Einheitselement und ein damit verbundenes, einen drittes Steuereingang aufweisendes drittes Schaltelement zum Zu- oder Abschalten des Einheitselements aufweist, und wenn der dritte Steuereingang über eine Ansteuereinrichtung mit dem Datenspeicher und der Vertauschungseinrichtung in Steuerverbindung steht. Mit Hilfe der dritten Einheitsschaltung können dann Fehler im analogen Ausgangssignal des Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer, die durch eine Abweichung eines ersten Einheitselements von dem zweiten Einheitselement und/oder durch eine Abweichung zweier erster Einheitselemente verursacht sind, zumindest teilweise kompensiert werden. Dabei unterscheidet sich die dritte Einheitsschaltung bevorzugt in der Weise von den ersten und zweiten Einheitsschaltungen, dass das Zu- oder Abschalten des dritten Einheitselements eine kleinere Veränderung des analogen Ausgangssignals des Multilevel-Digital-Analog-Umsetzers bewirkt als das Zu- oder Abschalten eines ersten oder zweiten Einheitselements.
Bei einer andern vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kompensationseinrichtung ein Additionsglied auf, das einen mit dem Quellenausgang der Testsignalquelle verbundenen ersten Eingang und einen mit dem Datenspeicher verbundenen zweiten Eingang hat, wobei der Ausgang des Additionsglieds über die Einrichtung zur Nachbildung der Übertragungsfunktion mit dem zweiten Eingang des Differenzglieds verbunden ist. Der Einfluss, den statische und/oder dynamische Abweichungen, welche die ersten und zweiten Einheitsschaltungen relativ zueinander aufweisen, auf das digitale Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators bzw. Sigma-Analog-Digitalumsetzers haben, können also auch digital kompensiert werden.
Die Erfindung ermöglicht also eine Charakterisierung der dynamischen und statischen Fehler der ersten Digital-Analog-Umwandler-Einheitsschaltungen relativ zueinander und/oder relativ zu einer zweiten Digital-Analog-Umwandler-Einheitsschaltung. Die Erfassung der Fehler kann im laufenden Betrieb erfolgen. Für die Fehlererkennung wird nur ein sehr geringer Schaltungs- und Rechenaufwand benötigt. Nach der Ermittlung und Speicherung der Kenngrößen für die Fehler ist eine analoge und/oder digitale Korrektur der Fehler nach Methoden des Standes der Technik einfach durchführbar.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutern. Es zeigt:
1 ein Schaltbild eines Sigma-Delta-Modulators,
2 ein Schaltbild eines Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzers,
3 ein Schaltbild eines Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzers, der eine Kompensationseinrichtung zum analogen Kompensieren von durch eine Nichtlinearität eines internen Digital-Analog-Umsetzers verursachten Fehlern in einem digitalen Ausgangssignal aufweist, und
4 ein Schaltbild eines Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzers, der eine Kompensationseinrichtung zur digitalen Kompensation der Fehler aufweist.
Ein in 1 im Ganzen mit 1 bezeichneter Sigma-Delta-Modulator weist eine Regelschleife auf, in der ein Subtraktionsglied 2, ein Tiefpasscharakteristik aufweisender Schleifenfilter 3, ein Multi-Level-Quantisierer 4 und ein Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer 5 in Reihe geschaltet sind. Der Schleifenfilter 3 ist in 1 der Einfachheit halber als Filter 1. Ordnung dargestellt. Er kann jedoch auch eine höhere Ordnung aufweisen.
Um die Zeichnung übersichtlich zu gestalten, ist der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer 5 in 1 nur als 2-bit, d. h. 4-Level Digital-Analog-Umsetzer dargestellt. Dem Kenner der Materie wird dies ausreichen, um die Erfindung auch auf alle anderen Realisierungsmöglichkeiten eines Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer 5 innerhalb eines Sigma-Delta-Modulators 1 anzuwenden.
Der Digital-Analog-Umsetzer 5 hat eine der Anzahl seiner Quantisierungsniveaus entsprechende Anzahl von ersten elektrischen Einheitsschaltungen 6a, die jeweils ein erstes Einheitselement 7a und ein damit verbundenes erstes Schaltelement 8a aufweisen. Die Einheitsschaltungen 6a sind bis auftoleranzbedingte Abweichungen identisch zueinander. Jedes erste Einheitselement 7a hat jeweils eine erste Einheitsstromquelle. Ein erster Ausgangsanschluss jeder ersten Einheitsstromquelle ist jeweils mit einem Versorgungsanschluss und ein zweiter Ausgangsanschluss ist über das der ersten Einheitsstromquelle zugeordnete erste Schaltelement 8a mit einem Analogausgang des Digital-Analog-Umsetzers 5 verbunden.
Der Digital-Analog-Umsetzer 5 weist für jedes erste Schaltelement 8a jeweils einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten ersten Steuereingang auf. Die ersten Schaltelemente 8a können durch Anlegen von binären Steuersignalen q₁, q₂, q₃, q₄ an die ersten Steuereingänge in Abhängigkeit von den Steuersignalen q₁, q₂, q₃, q₄ betätigt, also geöffnet oder geschlossen werden.
Der Digital-Analog-Umsetzer 5 hat außerdem eine zweite elektrische Einheitsschaltung 6b, die ein zweites Einheitselement 7b und ein damit verbundenes zweites Schaltelement 8b aufweist. Das zweite Einheitselement 7b hat eine zweite Einheitsstromquelle. Ein erster Anschluss der zweiten Einheitsstromquelle ist mit dem Versorgungsanschluss und ein zweiter Anschluss über das zweite Schaltelement 8b mit dem Analogausgang des Digital-Analog-Umsetzers 5 verbunden. Die zweite Einheitsschaltung 6b stimmt bis auftoleranzbedingte Abweichungen mit den ersten Einheitsschaltungen 6a überein.
Der Digital-Analog-Umsetzer 5 hat für das zweite Schaltelement 8b einen zweiten Steuereingang. Das zweite Schaltelemente 8b kann durch Anlegen eines binären Testsignals q_T an den zweiten Steuereingang in Abhängigkeit von dem Testsignal betätigt werden.
In 1 ist erkennbar, dass das Subtraktionsglied 2 einen ersten Eingang 9 für ein zum modulierendes analoges Eingangssignal X und einen mit einem Ausgang des Multilevel-Digital-Analog-Umsetzers 5 verbundenen zweiten Eingang 10 für ein analoges Rückkopplungssignal hat. Der erste Eingang 9 und der zweite Eingang 10 sind über einen Eingangswiderstand 11 miteinander verbunden. Am zweiten Eingang 10 ist außerdem eine Stromquelle 12 angeschlossen, die einen Konstantstrom in den zweiten Eingang 10 einspeist.
Ein Ausgangsanschluss des Subtraktionsglieds 2 ist indirekt über den Schleifenfilter 3 mit einem Analogeingang des Multi-Level-Quantisierers 4 verbunden. Dieser hat eine der Anzahl der ersten Einheitsschaltungen 6a des Multilevel-Digital-Analog-Umsetzers 5 entsprechende Anzahl Quantisierungsniveaus. Mit Hilfe des Multi-Level-Quantisierers 4 wird das analoge Ausgangssignal des Schleifenfilters 3 in ein am Ausgang des Multi-Level-Quantisierers 4 anliegendes digitales Schleifenausgangssignal Y umgesetzt, das im Thermometercode vorliegt.
Der Sigma-Delta-Modulator 1 hat außerdem Testsignalquelle 14, an deren Quellenausgang als Testsignal q_T ein binäres Rauschsignal ausgebbar ist. Der Quellenausgang und der Ausgang des Multi-Level-Quantisierers 4 sind über eine Vertauschungseinrichtung 13 mit den Steuereingängen des Multilevel-Digital-Analog-Umsetzers 5 verbunden.
In einem ersten Betriebszustand der Vertauschungseinrichtung 13 liegt jedes erste Steuersignal q₁, q₂, q₃, q₄ jeweils an dem ersten Steuereingang des ihm zugeordneten ersten Schaltelements 8a und das Testsignal q_T am Steuereingang des zweiten Schaltelements 8b an.
In 1 ist erkennbar, dass der Sigma-Delta-Modulator 1 eine Korrelationseinrichtung 15 mit einem ersten und einem zweiten Korrelationseingang aufweist. Der erste Korrelationseingang ist mit dem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers 4 und der zweite Korrelationseingang mit dem Quellenausgang der Testsignalquelle verbunden. Ein Korrelationsausgang der Korrelationseinrichtung 15 dient zur Ausgabe einer Kenngröße für die zweite Einheitsschaltung 6b und ist mit einem Datenspeicher 16 verbunden, in dem die Kenngröße abgelegt wird.
In einer der Anzahl der ersten Einheitselemente 7a entsprechenden Anzahl zweiter Betriebszustände der Vertauschungseinrichtung 13 liegt jeweils ein eigentlich einem ersten Steuereingang zugeordnetes Steuersignal q₁, q₂, q₃, q₄ am zweiten Steuereingang und das Testsignal liegt an dem genannten ersten Steuereingang an. Die übrigen ersten Steuersignale liegen jeweils an dem ihnen zugeordneten ersten Steuereingang an. In jedem zweiten Betriebszustand ist also das zweite Einheitselement 7b als Ersatz für jeweils ein erstes Einheitselement 7a in den laufenden Betrieb eingeschaltet, das betreffende erste Einheitselement 7a dagegen aus dem laufenden Betrieb entfernt. Z. B. können die Steuersignale q₁ und q_T vertauscht werden. Damit wird:
q₁ = q'_T und q_T = q'_T
Somit wird also das vor dem Vertauschen von dem Steuersignal q₁ angesteuerte erste Schaltelement 8a nach dem Vertauschen durch das Testsignal und das vor dem Vertauschen von dem Testsignal q_T angesteuerte zweite Schaltelement 8b nach dem Vertauschen durch das Steuersignal q₁ angesteuert. Durch diesen Tausch kann der laufende Betrieb des Multilevel-Digital-Analog-Umsetzers 5 immer aufrecht erhalten, aber jedes einzelne erstes Einheitselement 7a separiert und mit dem Testsignal beaufschlagt werden.
Bei jedem zweiten Betriebszustand wird jeweils mittels der Korrelationseinrichtung 15 eine Kenngröße für die erste Einheitsschaltung 6a, die gerade separiert ist, ermittelt und im Datenspeicher 16 abgelegt. Die Reihenfolge, in der die einzelnen Einheitsschaltungen 6a, 6b separiert und mit dem Testsignal angesteuert werden, ist beliebig. Es muss lediglich jedes erste Einheitselement 7a und das zweite Einheitselement 7b mindestens jeweils einmal in Abhängigkeit vom Testsignal aktiviert bzw. deaktiviert werden. Bevorzugt werden für jedes Einheitselement 7a, 7b mehrere Korrelationswerte gebildet, aus denen jeweils die Kenngröße für das Einheitselement durch Mittelwertbildung bestimmt wird.
Damit die Einspeisung des Testsignals das Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators 1 im laufenden Betrieb nicht wesentlich stört, wird das bekannte Testsignal aus dem digitalen Ausgang des Sigma-Delta-Modulators 1 wieder herausgerechnet. Der Sigma-Delta-Modulator 1 hat dazu eine Einrichtung zur digitalen Nachbildung der Übertragungsfunktion 17 vom Quellenausgang der Testsignalquelle 14 zu einem mit dem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers 4 verbundenen ersten Eingang eines Differenzglieds 18. Ein zweiter Eingang des Differenzglieds 18 ist mit dem Quellenausgang der Testsignalquelle 14 verbunden. Das Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators 1 liegt an einem Ausgang 24 des Differenzglieds 18 an.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Sigma-Delta-Modulator 1 in einen Multibit-Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzer integriert. Dazu ist der Ausgang des Multi-Level-Quantisierers 4 indirekt über einen Thermometer-Binärcodewandler 22 und einen damit in Reihe geschalteten Dezimationsfilter 23 mit dem ersten Eingang des Differenzglieds 18 verbunden. Im übrigen entspeicht der Aufbau des in 2 gezeigten Multibit-Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzers dem des Sigma-Delta-Modulators 1 nach 1.
Die im Datenspeicher 16 abgelegten Kenngrößen für die Nicht-Übereinstimmung der ersten und zweiten Einheitsschaltungen 6a, 6b können zu deren Korrektur verwendet werden. Diese Korrektur kann sowohl analog als auch digital erfolgen.
Ein Beispiel für einen Multibit-Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzer mit analoger Korrektur ist in 3 abgebildet. Deutlich ist erkennbar, dass der Datenspeicher 16 über eine Korrektursignalleitung 19 mit dem Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer 5 verbunden ist. Dieser weist in der Zeichnung nicht näher dargestellte Mittel zum Verändern (tunen) zumindest der ersten Einheitsschaltungen 6a in Abhängigkeit von den im Datenspeicher 16 abgelegten Kenngrößen auf. Anstelle dieser Mittel oder zusätzlich dazu kann der Digital-Analog-Umsetzer 5 mindestens eine dritte Einheitsschaltung aufweisen, die eine Stromquelle mit einer geringeren Stromstärke hat als die der ersten Einheitsstromquellen hat. Die Stromquelle der mindestens einen dritten Einheitsschaltung kann in Abhängigkeit von den im Datenspeicher 16 abgelegten Kenngrößen zwischen den Analogausgang des Digital-Analog- Umsetzers 5 und den Versorgungsanschluss geschaltet werden, um Nichtlinearitäten der Kennlinie des Digital-Analog-Umsetzers 5 zu kompensieren.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines in einen Multibit-Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzer integrierten Sigma-Delta-Modulators 1, bei dem zumindest die Abweichungen, welche die ersten Einheitsschaltungen 6a relativ zueinander aufweisen, digital kompensiert werden. Ein Additionsglied 20 hat einen mit dem Quellenausgang der Testsignalquelle 14 verbundenen ersten Eingang und einen mit dem Datenspeicher 16 verbundenen zweiten Eingang. Ein Ausgang des Additionsglieds 20 ist über die Einrichtung zur Nachbildung der Übertragungsfunktion 17 mit dem zweiten Eingang des Differenzglieds 18 verbunden. Eine Datenleitung 21 verbindet die Vertauschungseinrichtung 13 mit dem Datenspeicher 16.
Die im Datenspeicher 16 abgelegten Kenngrößen werden zu relativen Fehlern der Einheitsschaltungen zueinander umgerechnet. Werden nun diese bekannten Fehler abhängig von der aktuellen Eingangssequenz q_i, i = 1 ... N, wobei N die Anzahl der ersten Einheitsschaltungen 6a bedeutet, invers zum Ausgangssignal Y des Sigma-Delta-Modulators 1 oder zum Ausgangssignal YD des Multibit-Sigma-Delta Digital-Analog-Umsetzers umgerechnet, so können die vorher durch den analogen Digital-Analog-Umsetzer 5 eingespeicherten Fehler digital wieder ausgelöscht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- S. Yan, E. Sanchez-Sinencio, "A Continuous-Time SD Modulator With 88-dB Dynamic Range and 1.1-MHz Signal Bandwidth, IEEE Journal of Solid-State Circ., Vol. 39, No. 1, Jan. 2004, Seiten 75–86 [0002]

Claims

Sigma-Delta-Modulator (1), insbesondere für einen Multibit-Sigma-Delta Analog-Digital-Umsetzer, mit einer Regelschleife, in der zumindest ein Multi-Level-Quantisierer (4) und ein Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer (5) angeordnet sind, wobei der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer (5) mindestens drei erste elektrische Einheitsschaltungen (6a) hat, die jeweils ein erstes Einheitselement (7a) und ein damit verbundenes erstes Schaltelement (8a) zum Zu- oder Abschalten des ersten Einheitselements (7a) aufweisen, wobei das erste Schaltelement (8a) einen ersten Steuereingang hat, über den es durch Anlegen eines Steuersignals betätigbar ist, und wobei die ersten Steuereingänge mit einem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers (4) in Steuerverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer (5) eine zweite Einheitsschaltung (6b) mit einem zweiten Schaltelement (8b) und einem zweiten Einheitselement (7b) aufweist, dass das zweite Schaltelement (8b) einen zweiten Steuereingang hat, dass zum Erzeugen eines Testsignals eine Testsignalquelle (14) mit einem Quellenausgang für das Testsignal vorgesehen ist, dass der Quellenausgang und der Ausgang des Multi-Level-Quantisierers (4) über eine Vertauschungseinrichtung (13) mit den ersten Steuereingängen und dem zweiten Steuereingang derart verbindbar ist, dass in einem ersten Betriebszustand das Testsignal an den Steuereingang anlegbar ist und in zweiten Betriebszuständen jeweils ein für den Steuereingang einer ersten Einheitsschaltung (6a) vorgesehenes Steuersignal an den Steuereingang der zweiten Einheitsschaltung (6b) und das Testsignal an den Steuereingang der betreffenden ersten Einheitsschaltung (6a) anlegbar ist, und dass eine Korrelationseinrichtung (15) vorgesehen ist, die einen ersten, mit dem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers (4) direkt oder indirekt verbundenen Korrelationseingang, einen zweiten, mit dem Quellenausgang für das Testsignal verbundenen Korrelationseingang und einen Korrelationsausgang zur Ausgabe von Kenngrößen zumindest für die ersten Einheitsschaltungen (6a) aufweist.
Sigma-Delta-Modulator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Einrichtung zur Nachbildung der Übertragungsfunktion (17) vom Quellenausgang der Testsignalquelle (14) zu einem mit dem Ausgang des Multi-Level-Quantisierers (4) direkt oder indirekt verbundenen ersten Eingang eines Differenzglieds (18) aufweist, und dass der Quellenausgang über die Einrichtung zur Nachbildung der Übertragungsfunktion (17) mit einem zweiten Eingang des Differenzglieds (18) verbunden ist.
Sigma-Delta-Modulator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Testsignalquelle (14) eine Rauschquelle ist, mit der insbesondere ein pseudo-zufälliges weißes Rauschen erzeugbar ist.
Sigma-Delta-Modulator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrelationsausgang zum Speichern der Kenngrößen für die Abweichungen zumindest der ersten Einheitsschaltungen (6a) mit einem Datenspeicher (16) verbunden ist, und dass an dem Datenspeicher (16) eine Kompensationseinrichtung angeschlossen ist, die derart ausgestaltet ist, dass sie in Abhängigkeit von den Kenngrößen die durch die Abweichungen der Einheitsschaltungen (6a) in einem Ausgangssignal des Multi-Level-Quantisierers (4) und/oder in einem am ersten Eingang des Differenzglieds (18) anliegenden Digitalsignal auftretenden Fehler zumindest teilweise kompensiert.
Sigma-Delta-Modulator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung mindestens eine dritte Einheitsschaltung für den Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer (5) umfasst, die ein drittes Einheitselement und ein damit verbundenes, einen dritten Steuereingang aufweisendes drittes Schaltelement zum Zu- oder Abschalten des Einheitselements aufweist, und dass der dritte Steuereingang über eine Ansteuereinrichtung mit dem Datenspeicher (16) und der Vertauschungseinrichtung (13) in Steuerverbindung steht.
Sigma-Delta-Modulator (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung ein Additionsglied (20) aufweist, das einen mit dem Quellenausgang der Testsignalquelle (14) verbundenen ersten Eingang und einen mit dem Datenspeicher (16) verbundenen zweiten Eingang aufweist, und dass der Ausgang des Additionsglieds (20) über die Einrichtung zur Nachbildung der Übertragungsfunktion (17) mit dem zweiten Eingang des Differenzglieds (18) verbunden ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Sigma-Delta-Modulationssignals aus einem analogen Eingangssignal, wobei aus dem Eingangssignal und einem analogen Rückkopplungssignal ein Differenzsignal gebildet und aus diesem Differenzsignal durch Quantisieren ein digitales Regelschleifenausgangssignal erzeugt wird, wobei ein Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer (5) mit ersten elektrischen Einheitselementen (7a) bereitgestellt wird, wobei das Regelschleifenausgangssignal in ein entsprechendes Analogsignal umgesetzt wird, indem für jedes erste Einheitselement (7a) in Abhängigkeit vom Regelschleifenausgangssignal ein Steuersignal erzeugt und die ersten Einheitselemente (7a) derart angesteuert werden, dass sie in Abhängigkeit von den Steuersignalen aktiviert oder deaktiviert sind, und wobei das so erhaltene Analogsignal das Rückkopplungssignal bildet, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Multilevel-Digital-Analog-Umsetzer (5) derart bereitgestellt wird, dass er zusätzlich zu den ersten Einheitselementen (7a) ein zweites Einheitselement (7b) aufweist, b) dass ein sich änderndes Testsignal erzeugt wird, c) dass das zweite Einheitselement (7b) mit dem Testsignal angesteuert wird, d) dass das Regelschleifenausgangssignal oder ein daraus erzeugtes Signal zum Gewinnen einer Kenngröße für das zweite Einheitselement (7b) mit dem Testsignal korreliert wird, e) dass mit einem der Steuersignale das zweite Einheitselement (7b) und mit dem Testsignal das diesem Steuersignal zugeordnete erste Einheitselement (7a) angesteuert werden, f) dass das Regelschleifenausgangssignal oder ein daraus erzeugtes Signal zum Gewinnen einer Kenngröße zumindest für das erste Einheitselement (7a) mit dem Testsignal korreliert wird, g) und dass die Schritte e) und f) zumindest für jedes erste Einheitselement (7a) jeweils mindestens einmal durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Testsignal ein pseudozufälliges weißes Rauschen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Testsignals und einer Nachbildung des Signalwegs zwischen einer das Testsignal aufweisenden ersten Signalwegstelle und einem das Regelschleifenausgangssignal oder ein daraus gebildetes Signal aufweisenden zweiten Signalwegstelle ein Kompensationssignal erzeugt wird, und dass aus dem an der zweiten Signalwegstelle anliegenden Signal und dem Kompensationssignal die Differenz gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Einheitselemente (7a) in Abhängigkeit von den gewonnenen Kenngrößen derart verändert werden, dass eine durch die Abweichungen der ersten Einheitselemente (7a) verursachte Reduzierung der Auflösung des Sigma-Delta-Modulationssignals zumindest teilweise kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des Testsignals und der gewonnenen Kenngrößen ein Korrektursignal erzeugt wird, und dass die durch die Abweichungen zumindest der ersten Einheitsschaltungen (6a) im Regelschleifenausgangssignal und/oder dem daraus erzeugten Digitalsignal verursachten Fehler mit Hilfe des Korrektursignals zumindest teilweise kompensiert werden.