DE69128300T2

DE69128300T2 - Digital-Analog-Wandler mit durch ROM erzeugtem Pulsweitensignal

Info

Publication number: DE69128300T2
Application number: DE69128300T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Masuda; Masaaki Ueki
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1990-05-16
Filing date: 1991-05-09
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2011-05-10
Also published as: EP0457496A2; EP0457496B1; DE69128300D1; EP0457496A3; JPH0421215A; US5148168A

Description

Die Erfindung betrifft Digital/Analog-Wandler (D/A-Wandler).
In digitalen Audio-Diskplayern werden verbreitet D/A-Wandler eingesetzt, die mit Pulsamplitudenmodulations-(PAM)-Systemen oder Systemen mit treppenförmigem Signalverlauf arbeiten, bei denen digitale Eingangsdaten in PAM-Signale und zuletzt in ein analoges Signal umgewandelt werden.
In jüngerer Zeit wurde ein D/A-Wandler mit einem Pulsbreitenmodulations-(PWM)-System eingeführt, bei dem digitale Eingangsdaten in PWM-Signale und schließlich in ein analoges Signal umgewandelt werden.
Um das Quantisierungsrauschen im Audiofrequenzbereich zu reduzieren und die erforderliche Auflösung zu erzielen, werden in diesem Fall in Kombination ein Überabtastverfahren (over-sampling) und ein Geräuschformungsverfahren eingesetzt, wie sie beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentschrift 61/177819 offenbart sind. Dadurch werden digitale 7-wertige 3-Bit-Daten D1 und D7 und PWM-Signale erzeugt, deren Impulsbreiten T0 bis 7T0 betragen, die den Werten [1] bis [7] entsprechen.
Der D/A-Wandler des PAM-Systems besitzt aufgrund des Prinzips, auf dem er basiert, gute Linearität und liefert ein umgewandeltes analoges Ausgangssignal mit geringer Verzerrung. Er benötigt jedoch hochpräzise und genau arbeitende Stromaddierer, die den Gewichten der Bits der digitalen Eingangsdaten entsprechen, sowie einen elektronischen Schalter, der mit genauer Zeitlage arbeitet. Deshalb trat die Schwierigkeit auf, daß die Schaltung umfangreicher wird, wenn ihre Auflösung erhöht werden soll, und daß darüber hinaus die Schaltung insgesamt sehr präzise aufgebaut werden muß.
Obwohl der bekannte D/A-Wandler den Vorteil hat, daß seine Schaltungskonfiguration recht einfach ist, tritt bei ihm das Problem auf, daß er eine geradzahlige harmonische Verzerrung erzeugt, die das analoge Signal beeinträchtigt.
Diese Verzerrung ist erheblich, wenn die Signalfrequenz hoch oder die Impulsrate niedrig ist. Wie Fig. 2 zeigt, tritt beispielsweise bezüglich der Grundschwingung von 10 kHz eine relativ große Verzerrung speziell im Bereich der zweiten Harmonischen auf.
Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, haben wir bereits einen D/A-Wandler mit einem PWM-System vorgeschlagen, bei dem mit Hilfe eines Differenzverstärkers eine Differenzkomponente zwischen einer den digitalen Eingangsdaten entsprechenden PWM-Wellenform und einer den 2s-Komplementdaten der digitalen Eingangsdaten entsprechenden komplementären PWM-Wellenform abgeleitet und dadurch die hochfrequente Komponente der Differenz-Ausgangswellenform eliminiert wird, so daß die harmonische Verzerrung des analogen Ausgangssignals verringert wird (US-Patentanmeldung 479 163, eingereicht am 13. Februar 1990).
Dieser D/A-Wandler benötigt jedoch zwei PWM-Schaltungen, weil er zwei komplementäre PWM-Signale erzeugt.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 141 386 offenbart ein Digital-Analog-Wandlersystem zur Umwandlung von seriellen digitalen Eingangsdaten in ein analoges Signal. Das System umfaßt einen Serien/Parallel-Wandler zur Umwandlung der seriellen Eingangsdaten in parallele Daten. Die Bits höherer Ordnung und die Bits niedrigerer Ordnung der parallel gewandelten Daten werden von PAM- bzw. PWM-Steuerstufen umgewandelt, um PAM- bzw. PWM-Steuersignale zu erzeugen. Die beiden Steuersignale werden in einer zeitlich abgestimmten Beziehung zueinander addiert, indem sie Schaltern zugeführt werden, mit denen Konstantstromgeneratoren gesteuert werden, die mit einem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers verbunden sind, dessen nichtinvertierender Eingang mit Masse verbunden ist. Der Differenzverstärker erzeugt Impulse, die durch Interpolation mit Hilfe eines Tiefpaßfilters umgewandelt werden. Die PWM-Steuerschaltung kann in der Weise arbeiten, daß zwei verschiedene PWM-Signale mit unterschiedlichen Pulsbreitenänderungen und Impulsbreiten vorgesehen sind, die sie entsprechend den Bitdaten symmetrisch zu den betreffenden Zeitlagen niedriger Ordnung einmal in jeder Umwandlungsperiode ändern, wobei eine Welle in einem ersten Teil der Umwandlungsperiode und die andere Welle in einem zweiten Teil der Umwandlungsperiode auftritt.
In den Ansprüchen 1 und 3 sind die jeweiligen verschiedenen Aspekte der Erfindung angegeben.
Ein weiter unten beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt einen Digital-Analog-Wandler dar mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals, dessen Impulsbreite den digitalen Eingangsdaten entspricht, einer Tiefpaßfiltereinrichtung zum Eliminieren hochfrequenter Komponenten des pulsbreitenmodulierten Signals und zur Ausgabe eines analogen Signals, wobei die Abtastperiode Ts der digitalen Eingangsdaten durch eine gerade Zahl 2m geteilt wird und die Einrichtung zur Erzeugung des pulsbreitenmodulierten Signals pulsbreitenmodulierte Signale mit gleichen Pulsbreiten n Tu erzeugt, die den digitalen Eingangsdaten entsprechen, so daß jedes Signal in jeder geteilten Abtastperiode Ts/2m erzeugt wird.
Mit den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die einen einfachen Aufbau haben, kann die harmonische Verzerrung verringert und ein analoges Signal hoher Qualität gewonnen werden.
Im folgenden wird die Erfindung an einem Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen gleiche Teile durchgehend mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Fig. 1 zeigt ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise eines bereits früher vorgeschlagenen D/A-Wandlers,
Fig. 2 zeigt ein Spektraldiagramm,
Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des D/A-Wandlers gemäß der Erfindung,
Fig. 4 zeigt ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels,
Fig. 5 zeigt ein Spektraldiagramm,
Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 3 besitzt eine Oversampling-Schaltung 11, der über einen Eingang 1 reproduzierte digitale 16-Bit-Audiodaten mit einer Abtastfrequenz fs von 44,1 kHz zugeführt werden und die die empfangenen Daten in einem Oversampling-Prozeß in digitale Daten mit einer Abtastfrequenz von 64 fs umwandelt.
Eine Geräuschformungsschaltung 12 führt einen Geräuschformungsprozeß aus, um die digitalen 16-Bit-Daten aus der Oversampling-Schaltung 11 z. B. in digitale 7-wertige 3-Bit-Daten umzuwandeln und dadurch das Quantisierungsrauschen zu reduzieren.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel besitzt eine PWM-Schaltung, die aus einem Nurlesespeicher (ROM) 21 und einem Parallel/Serien-Wandler 22 besteht. Die von der Geräuschformungsschaltung 12 ausgegebenen Daten werden dem ROM 21 als Leseadressen zugeführt. Die aus dem ROM 21 ausgelesenen parallelen Daten werden in dem Parallel/Serien- Wandler 22 in serielle Daten umgewandelt.
Die seriellen Daten werden gemeinsam einem Puffer 23 und einem Inverter 24 zugeführt. Die Ausgangssignale des Puffers 22 und des Inverters 24 werden über Tiefpaßfilter 25 bzw. 26 zur geeigneten Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit dem nichtinvertierenden Eingang bzw. dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 27 zugeführt. Der Pegel des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 27 ist doppelt so groß wie derjenige eines der Eingangssignale, um Gleichtaktgeräusch zu entfernen. Dieses Ausgangssignal wird über ein Tiefpaßfilter 28 einem Ausgang 2 zugeführt.
Anhand von Fig. 4 werden nun die Wirkungsweise erläutert.
In diesem Ausführungsbeispiel sind in dem ROM 21 im Voraus die in der folgenden Tabelle dargestellten parallelen Daten eingeschrieben. Tabelle 1
Es wird in dem ROM 21 eine Adresse ausgewählt, die den von der Geräuschformungsschaltung 12 gelieferten Eingangsdaten entspricht. Daraufhin wird ein Satz von parallelen Daten aus dem ROM 21 ausgelesen, die dem Wert der Eingangsdaten entsprechen. Die aus dem ROM 21 ausgelesenen parallelen Daten werden in dem Parallel/Serien-Wandler 22 in einen Satz serieller Daten umgewandelt. Dadurch wird ein PWM-Signal erzeugt, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.
Wie Fig. 4 zeigt haben alle ungeradzahligen PWM-Signale die gleichen PWM-Signalwellenformen mit einer dem Eingangsdatenwert [n] entsprechenden Impulsbreite n Tu (Tu ist die Impulsbreiteneinheit), die sich in der ersten und zweiten Hälfte der Abtastperiode Ts wiederholt. Was die geradzahligen Signale betrifft, haben zwar alle Signale die gleiche PWM- Signalwellenform mit einer dem Eingangsdatenwert entsprechenden Impulsbreite, das Signal in der zweiten Hälfte um die Impulsbreiteneinheit Tu ist jedoch nach rückwärts verschoben.
Deshalb befindet sich in der Mitte jedes ungeradzahligen PWM-Signals ein Niedrigpegelbereich in der gleichen Zeitlage wie bei dem unmittelbar vorangehenden ungeradzahligen PWM-Signal. Somit sind die Wellenformen der einzelnen Signale symmetrisch um das Zentrum des Niedrigpegelbereichs verteilt, wobei dieses Zentrum gegenüber dem Zentrum der Abtastperiode Ts um Tu/2 nach rückwärts verschoben ist.
Außerdem ist in der ersten und in der zweiten Hälfte jedes PWM-Signals die Information der Eingangsdaten in Form gleicher Impulsbreiten festgehalten. Deshalb wird die Impulsrate effektiv höher, selbst wenn die Taktfrequenz fixiert ist, so daß die Verzerrung durch die zweite Harmonische, wie in Fig. 5 dargestellt, stark reduziert werden und ein analoges Signal hoher Qualität gewonnen werden kann.
Auch wenn die PWM-Signale so beschaffen sind, daß die Wellenformen von Fig. 4 zwischen links und rechts vertauscht sind, lassen sich genau die gleichen Wirkungen erzielen, wie sie oben beschrieben wurden. Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht mit Hilfe einer einfachen Struktur eine Erhöhung der Pulsrate. Deshalb läßt es sich vorteilhaft bei integrierten Schaltungen anwenden, wenn die Taktfrequenz in der Nähe der oberen Betriebsgrenze liegt.
In dem obigen Ausführungsbeispiel wurde der Fall beschrieben, daß die Wellenform des PWM-Signals in zwei Wellenformen unterteilt wird; die Wellenform kann jedoch auch in eine andere gerade Anzahl unterteilt werden, indem man vorsieht, daß die PWM-Signale, wie in Fig. 4 dargestellt, mehrere (m) Male wiederholt ausgelesen werden, während die Zeitbasis auf den Reziprokwert dieser Anzahl der Auslesevorgänge komprimiert wird.
Anhand von Fig. 6 werde nun ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben.
Dieses Ausführungsbeispiel besitzt PWM-Schaltungen 30, die hier jeweils aus einem ROM 31, 32 und einem Parallel/Serien-Wandler 33, 34 bestehen. Ein ROM 31 speichert die in Tabelle 1 dargestellten parallelen Daten, die im voraus dort eingeschrieben wurden, während das andere ROM 32 invertierte parallele Daten speichert, die durch das Austauschen von "1" und "0" in Tabelle 1 gewonnen werden und ebenfalls im voraus dort eingeschrieben wurden. Die Ausgangssignale der Parallel/Serien-Wandler 33 und 34 werden über Tiefpaßfilter 35 und 36 dem nichtinvertierenden bzw. dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 37 zugeführt. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 37 wird über ein Tiefpaßfilter 38 einem Ausgangsanschluß 2 zugeführt. Im übrigen ist die Struktur die gleiche wie in Fig. 3.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 6 arbeitet in der gleichen Weise wie das oben beschriebene Ausführungsbeispiel und erzeugt die gleichen Wirkungen. Es hat darüber hinaus den Vorteil, daß es in Anpassung an verschiedene Änderungen der Spezifikation leicht modifiziert werden kann.

Claims

1. Digital-Analog-Wandler zur Umwandlung von digitalen Eingangsdaten in ein analoges Signal

mit einer Einrichtung (20) zur Erzeugung eines pulsbreitenmodulierten Signals mit einer Impulsbreite, die den digitalen Eingangsdaten (D1 bis D7) entspricht,

und mit einem Tiefpaßfilter (28) zum Eliminieren hochfrequenter Komponenten des pulsbreitenmodulierten Signals und zur Ausgabe des analogen Signals,

wobei die Einrichtung (20) zur Erzeugung des pulsbreitenmodulierten Signals die Abtastperiode der digitalen Eingangsdaten in eine Anzahl m (= 2, 3, ... ) von Abtastperioden unterteilt und ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit zwei gleichen Impulsbreiten erzeugt, die in jeder der unterteilten Abtastperioden den digitalen Eingangsdaten entsprechen,

wobei das Signal mit den beiden Impulsbreiten symmetrisch um einen Punkt angeordnet ist, der sich in einigem Abstand vom Zentrum der unterteilten Abtastperiode befindet,

und wobei die Einrichtung (20) zur Erzeugung des pulsbreitenmodulierten Signals einen Nurlesespeicher (21) aufweist, der digitale Eingangsdaten als Adressendaten aufnimmt, um parallele Daten auszugeben, sowie einen Parallel-Serien-Wandler (22) zum Umwandeln der parallelen Daten in serielle Daten, die dem genannten Signal mit zwei Impulsbreiten entsprechen.

2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung (20) zur Erzeugung des pulsbreitenmodulierten Signals außerdem einen Puffer (23) und einen Inverter (24) aufweist, die parallel angeordnet und gemeinsam mit dem Ausgang des Parallel-Serien-Wandlers (22) verbunden sind, sowie einen Differenzverstärker (27), dessen nichtinvertierender Eingang und invertierender Eingang mit dem Ausgang des Puffers (23) bzw. mit dem Ausgang des Inverters (24) verbunden sind, wobei das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (27) dem Tiefpaßfilter (28) zugeführt wird.

3. Wandler zur Umwandlung von digitalen Eingangsdaten in ein analoges Signal

wobei die Einrichtung (20) zur Erzeugung des pulsbreitenmodulierten Signals die Abtastperiode des digitalen Eingangsdaten in einer Anzahl m (= 2, 3, ... ) von Abtastperioden unterteilt und ein pulsbreitenmoduliertes Signal mit zwei gleichen Impulsbreiten erzeugt, die in jeder der unterteilten Abtastperioden den digitalen Eingangsdaten entsprechen,

und wobei die Einrichtung (20) zur Erzeugung des pulsbreitenmodulierten Signals einen ersten Nurlesespeicher (31) aufweist, der digitale Eingangsdaten als Adressendaten aufnimmt, um erste parallele Daten auszugeben, einen zweiten Nurlesespeicher (32), der digitale Eingangsdaten als Adressendaten aufnimmt, um gegenüber den ersten parallelen Daten invertierte Daten als zweite parallele Daten auszugeben, einen ersten Parallel-Serien-Wandler (33) zum Umwandeln der ersten parallelen Daten in serielle Daten, die dem genannten Signal mit zwei Impulsbreiten entsprechen, einen zweiten Parallel-Serien-Wandler (34) zum Umwandeln der zweiten parallelen Daten in serielle Daten, die dem genannten Signal mit zwei Impulsbreiten entsprechen, und einen Differenzverstärker (37), dessen nichtinvertierender Eingang und invertierender Eingang mit dem Ausgang des ersten Parallel-Serien-Wandlers (33) bzw. mit dem Ausgang des zweiten Parallel-Serien-Wandler (34) verbunden sind, wobei das Ausgangssignals des Differenzverstärkers (37) dem Tiefpaßfilter (38) zugeführt wird.