close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

PL142998B1

код для вставкиСкачать
POLSKA
RZECZPOSPOLITA
1 OPIS PATENTOWY I 142998
LUDOWA
Patent dodatkowy
m
do patentu
Zgłoszono; 83 01 19
(p. 2*0225)
'
'
m '
InŁ Cl.4 H03K 7/00
Pierwszeństwo:
BIZdD
PATENTOWY
PRL
Zgło8zenie ogłoszono:
84 07 30
Opis patentowy opublikowano: 88 09 30
Twórcy wynalazku: Kishan Shenoi, Bhagwati Erasad Agrawal
Uprawniony z patentu:
.
International Standard Electric Corporation,
Nowy Jork (Stany Zjednoczone Ameryki)
MODULATOR DELTA-SIGMA
Wynalazek dotyczy przetworników analogowo-cyfrowyeh, a w szczególności tak zwanych
modulatorów delta-sigma.
Ebdstawę współczesnych informacyjnych systemów transmisji danych stanowią często
przekształcenia analogowych sygnałów wejściowych w'sygnały cyfrowe przesyłane kanałami dys¬
kretnymi. Zarówno przekształcenie analogowo-cyfrowe jak i rekonstrukcja cyfrowo-analogowa
są obarczone błędami przekształcenia ze względu na to, że ciągłe wielkości wejściowe muszą
być reprezentowane zbiorami wielkości dyskretnych w kanałach przesyłowych. Te błędy są ogólnie
znane jako szumy kwantyzacyjne i stanowią dominujące źródło niedokładności w takich systemach.
. W artykule technicznym zatytułowanym "Redućtion of Guantizing Noise by Use of Feedback,,,
(Redukcja szumu kwantyzacyjnego poprzez zastosowanie sprzężenia zwrotnego") H.A. Spang III
i P.M. Schultheiss analizują problem szumów kwantyzacyjnych i sugerują zastosowanie sprzęże¬
nia zwrotnego w obwodzie kwantyzatora jako środka zmniejszenia niedokładności wywoływanych
szumami kwantyzacyjnymi. Ten artykuł został opublikowany w IRE Transactions i on Communication
Systems, Vol. CS-10, str. 373-380 (grudzień, 1962). W tym artykule rozpatruje się i analizuje
modulator delta-sigma mający wielopoziomową charakterystykę kwantyzacji. Autorzy tego arty¬
kułu technicznego, prawdopodobnie dla uproszczenia analizy, dokonują pewnego wyboru, aby
przedstawić obwody próbkujący i kwantyzujący modulatora delta-sigma jako mające szczególne
znaczenie. W tej postaci fizycznej tego typu układ nie może być zrealizowany konwencjonalnymi
środkami układowymi. Przykład konwencjonalnego modulatora delta-sigma jest przedstawiony i opi¬
sany w artykule zatytułowanym "A Telemetering System by Codę Modulation-Delta-Sigma" (A,S )
Modulation-Delta-Sigma (a, E) Modulation", h. Inose, Y. Yasuda, I. Murakami. Ten artykuł był
opublikowany w IRE Transactions Space Electronics Telemetry, Vol. SET-8, str. 204-209 (wrze¬
sień, 1962). W tym drugim artykule przedstawiającym znany stan techniki opisany jest zasad-
2
142 998
niczo analogowy modulator delta-sigma oraz jego zastosowanie jako udoskonalenie znanego ze
stanu techniki modulatora delta.
■'"^ Autorzy tego drugiego artykułu podkreślają, że jeszcze we wcześniejszych tak zwanych
systemach z modulacją delta impulsy były przesyłane linią przesyłową jako niosące informację
odwzorowującą pochodną amplitudy sygnału wejściowego. Na końcu odbiorczym te impulsy były pod¬
dawane całkowaniu w celu otrzymania sygnału o kształcie pierwotnym. Zakłócenia w linii prze¬
syłowej takie, jak szumy itd.f przejawiają się jako błąd sumaryczny zawarty w sygnale wyjścio¬
wym uzyskanym poprzez całkowanie przesłanego sygnału. W systemach z tak zwaną modulacją deltasigma zapewnia się całkowanie sygnału wejściowego przed jego doprowadzeniem do właściwego
modulatora, tak więc wyjściowe impulsy przenoszą informację odpowiadającą amplitudzie sygnału
wejściowego.
W podstawowym zastosowaniu analogowym właściwości modulatora delta-sigma są zależne
od wartości bezwzględnych pojemności i rezystancji kondensatorów i rezystorów załączonych w
obwodach elektrycznych i z tego powodu na czułość w sposób ujemny wpływa starzenie się elemen¬
tów składowych i temperatura^ R>za tym wzmacniacze operacyjne stosowane w rozwiązaniach ana¬
logowych muszą mieć nadzwyczaj dobrą jakość, a wzmocnienie i pasmo przenoszenia takich wzmac¬
niaczy nie powinny być takie, aby na nie wpływała charakterystyka przenoszenia obwodu cał¬
kującego, włączonego w obwodach wejściowych układu. Oprócz tego w rozwiązaniach analogowych
kształt sygnału na wyjściu przetwornika cyfrowo-analogowego powinien być dokładny i niezmienny,
to znaczy impuls odwzorowujący oddzielną jedynkę powinien być zasadniczo identyczny z impul¬
sem jedynkowym w ciągu typu "1...S jedynek11. Trudności związane z zastosowaniem rozwiązań
układowych analogowego modulatora delta-sigma są często wynikiem tego wymagania.
Sposób, w jaki wynalazek pokonuje te niedogodności, właściwie dla rozwiązań znanych
ze stanu techniki, staje się oczywisty po zapoznaniu się z niniejszym opisem. Szczegółowy
opis cyfrowego modulatora delta-sigma można znaleźć w patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki
nr 4 270 027 udzielonym na rzecz zgłaszającego zatytułowanym "Telephone Subsoriber Linę tłiit
iflth Sigma-Selta Digital-to-Analog ConcerterH, z którego prawa zostały przeniesione na rzecz
niniejszego następcy prawnego.
W patencie Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4 27D 027 ujawnione jest urządzenie umożli¬
wiające przekształcenie sygnałów analogowych, uzyskiwanych z aparatów telefonicznych, w sygna¬
ły cyfrowe, przesyłanie sygnałów cyfrowych liniami telefonicznymi i przekształcanie sygnałów
cyfrowych odbieranych z linii w sygnały analogowe odbierane abonenckim aparatem telefonicznym.
vi gałęzi nadawanej tego urządzenia włączony jest przetwornik analogowo-cyfrowy, realizujący
przekształcanie sygnałów analogowych uzyskiwanych z abonenckiego aparatu telefonicznego, zaj¬
mującego znormalizowane pasmo częstotliwości akustycznych w sygnały cyfrowe przesyłane linią
telefoniczną. W gałęzi odbiorczej natomiast włączony jest przetwornik cyfrowo-analogowy, któ¬
rego zadaniem jest przekształcanie sygnałów cyfrowych, przesyłanych linią telefoniczną w sygna¬
ły analogowe, odtwarzane aparatem telefonicznym. W opisie patentowym nr 4 270 027 szczegółowo
opisuje się przetwornik cyfrowo-analogowy zrealizowany jako modulator sigma-delta.
Natomiast przedmiotem wynalazku jest modulator delta-sigma przeznaczony do cyfrowego
kodowania analogowego sygnału wejściowego, zawierający generator sygnałów próbkujących i tak¬
tujących oraz przetwornik analogowo-cyfrowy. Zgodnie z wynalazkiem, modulator zawiera pierwszy
kondensator, którego jedno wyprowadzenie jest połączone z masą układu a drugie wyprowadzenie
jest połączone z wyjściem pierwszego przełącznika, którego wejście jest połączone z wejściem
modulatora, do którego doprowadzany jest przetwarzany sygnał analogowy, a wejście sterujące
jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów taktujących, na którym uzyskiwany' jest
pierwszy sygnał próbkujący, drugi przełącznik, którego wejście jest połączone z wyjściem pier¬
wszego przełącznika, wejście sterujące jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów
próbkujących, na którym uzyskiwany jest drugi sygnał próbkujący, a wyjście Jest połączone z
wejściem odwracającym pierwszego wzmacniacza operacyjnego, drugi kondensator, którego jedno
wyprowadzenie Jest połączone z masą układu, a drugie - z wyjściem trzeciego przełącznika, któ¬
rego wejście jest połączone z wyjściem pierwszego wzmacniacza operacyjnego, a wejście sterują-
142 998
3
ce - z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany jest pierwszy
sygnał próbkujący. Przy tym wyjście trzeciego przełącznika połączone z drugim wyprowadzeniem
drugiego kondensatora jest dołączone do wejścia czwartego przełącznika, którego wejście ste¬
rające jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany
jest drugi sygnał taktujący,
a wyjście - z wejściem odwracającym drugiego wzmacniacza opera¬
cyjnego, którego wyjście jest dołączone do wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego, przy
czym do wejścia odwracającego każdego ze wzmacniaczy operacyjnych dołączony jest obwód przełą¬
czający napięcia odniesienia, a wejście sterujące przetwornika analogowo-cyfrowego jest połą¬
czone z trzecim wyjściem generatora sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany jest sygnał
taktujący.
Przetwornik analogowo-cyfrowy "zawiera załączony na wejściu komparator oraz załączony
na wyjściu komparator przerzutnik D, mający wejście D i dwa wyjścia Q i 3*
Dołączony do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego obwód przełą¬
czający napięcia odniesienia zawiera trzeci kondensator, którego jedno z wyprowadzeń jest po¬
łączone z masą układu, a drugie wyprowadzenie - z połączonymi wyjściami piątego i szóstego prze¬
łączników i z wejściem siódmego przełącznika, którego wyjście jest wyjściem obwodu przełącza¬
jącego napięcia odniesienia, przy czym wejście piątego przełącznika jest dołączone do wyjścia
źródła pierwszego napięcia odniesienia, wejście szóstego przełącznika jest dołączone do wyjścia
źródła drugiego napięcia odniesienia, wejście sterujące piątego przełącznika jest połączone
z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał
próbkujący, i z drugim wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego, na którym uzyskiwany jest
sygnał 5, wejście sterujące szóstego przełącznika jest połączone z pierwszym wyjściem generatora
sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący, i z pierwszym wyj¬
ściem przetwornika analogowo-cyfrowego, na którym uzyskiwany jest sygnał Q, natomiast wejście,
sterujące siódmego przełącznika jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkują¬
cych, na którym uzyskiwany jest drugi sygnał próbkujący.
Dołączony do wejścia odwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego obwód przełącza¬
jący napięcia odniesienia zawiera czwarty kondensator, którego jedno z wyprowadzeń jest połączo¬
ne z masą układu, a drugie wyprowadzenie - z połączonymi razem wyjściami ósmego i dziewiątego
przełącznika i z wejściem dziesiątego przełącznika, którego wyjście Jest wyjściem obwodu prze¬
łączającego napięcia odniesienia dołączonym do wejścia odwracającego drugiego wzmacniacza ope¬
racyjnego, przy czym wejście ósmego przełącznika jest dołączone do wyjścia źródła pierwszego
napięcia odniesienia, wejście dziewiątego przełącznika jest dołączone do wyjścia źródła drugie¬
go napięcia odniesienia, wejście sterujące ósmego przełącznika jest połączone z pierwszym wyj¬
ściem generatora sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący,
i z pierwszym wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego, na którym uzyskiwany jest sygnał Q,
wejście sterujące dziewiątego przełącznika jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygna^
łów próbkujących, na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący, i z drugim wyjściem
przetwornika analogowo -cyfrowego, na którym uzyskiwany jest sygnał Q.
Między wyjściem pierwszego wzmacniacza operacyjnego a jego wejściem odwracającym włączo¬
ny jest piąty kondensator. Między wyjściem drugiego wzmacniacza operacyjnego a jego wejściem
odwracającym włączony jest szósty kondensator.
Dołączony do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego obwód przełącza¬
jący napięcia odniesienia zawiera dwa kondensatory, z których pierwszy kondensator ma pierwsze
wyprowadzenie dołączone do połączonych razem wyjść pierwszego i drugiego przełączników, przy
czym wejście pierwszego przełącznika jest dołączone do wyjścia źródła napięcia odniesienia,
a wejście drugiego przełącznika jest połączone z masą układu, drugie wyprowadzenie pierwszego
kondensator jest połączone z wejściem czwartego przełącznika połączonym z wyjściem trzeciego
przełącznika, przy czym wyjście czwartego przełącznika stanowi wyjście obwodu przełączającego
napięcia odniesienia dołączonego do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego,
a wejście trzeciego przełącznika jest połączone z masą układu, jedno z wyprowadzeń drugiego
4
142 998
kondensatora Jest połączone z masą układu, a jego drugie wyprowadzenie jest połączone z wyjściem
piątego przełącznika, którego wejście jest połączone z wyjściem źródła napięcia odniesienia
i z wejściem szóstego przełącznika, którego wyjście jest dołączone do wyjścia obwodu przełącza¬
jącego napięcia odniesienia dołączonego do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza opera¬
cyjnego, przy czym wejście sterujące pierwszego przełącznika jest połączone z pierwszym wyj¬
ściem generatora sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący,
wejście sterujące drugiego przełącznika jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów
próbkujących, na którym uzyskiwany Jest drugi sygnał próbkujący, i z pierwszym wyjściem prze¬
twornika analogowo-cyfrowego, na którym uzyskiwany jest sygnał Q, wejście sterujące trzeciego
przełącznika jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących, na którym
uzyskiwany Jest pierwszy sygnał próbkujący, wejście sterujące czwartego przełącznika jest połą¬
czone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany jest drugi sy¬
gnał próbkujący, i z pierwszym wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego, na którym uzyskiwany
jest sygnał Q, wejście sterujące piątego przełącznika jest połączone z pierwszym wyjściem ge¬
neratora sygnałów próbkujących, na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący, a wejście
sterujące szóstego przełącznika jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkują¬
cych, na którym uzyskiwany jest drugi sygnał próbkujący.
Obwód przełączający napięcia odniesienia dołączony do wejścia odv;racającego drugiego
wzmacniacza operacyjnego ma strukturę analogiczną jak obwód przełączający napięcia odniesienia
dołączony do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego przy czym wejście ste¬
rujące czwartego przełącznika jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkują¬
cych i z drugim wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego, a wyjście steraJące drugiego prze¬
łącznika jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących i z drugim wyjiciem
przetwornika analogowo-cyfrowego.
Podstawową zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że parametry modulatora są za¬
leżne od bezwzględnych wartości pojemności i rezystancji elementów składowych układu, jak to
ma miejsce w rozwiązaniach znanych ze stanu techniki, lecz raczej od wartości stosunków po¬
jemności. Te wartości są stosunkowo niezależne od zmian temperatury i starzenia* Fbza tym, zgod¬
nie z rozwiązaniem według wynalazku, opartym na wykorzystaniu zasady przełączanych pojemności,
od zastosowanego wzmacniacza operacyjnego wymaga się jedynie, aby był zdolny ładować i rozła¬
dowywać kondensatory w znamionowych okresach czasowych (wynoszących około jednej drugiej prze¬
działu czasowego próbkowania). To powoduje, że urządzenie zrealizowane zgodnie z zasadami wy¬
nalazku nie Jest czułe w stosunku do stopniowego ciągłego dryftu parametrów elementów składo¬
wych wywołanych temperaturą 1 starzeniem,
Ebza tym, zgodnie z wynalazkiem, podstawą zastosowania rozwiązania z przełączanymi po¬
jemnościami jest kolejne następowanie po sobie nie pokrywających się przedziałów czasowych,
w których następuje ładowanie i rozładowywanie się kondensatorów tak, że właściwością modulatora
delta-sigma takiego typu jest to, że nie reaguje na zmianę kształtu impulsu. Oznacza to, że
osobna logiczna jedynka Jest równoważna jedynce logicznej w ciągu logicznym "1,,," jedynek.
Wartości bezwzględne pojemności mogą być wybrane tak, aby struktura wzmacniaczy opera¬
cyjnych była bardziej elastyczna. Charakterystyki modulacji delta-sigma są zależne od stosunku
pojemności. Na przykład, im większa wartość pojemności, tym większe są wymagania odnośnie
szybkości przełączania wzmacniacza operacyjnego ze stanu przewodzenia w stan nieprzewodzenia
i odwrotnie, który to wzmacniacz operacyjny steruje ładowaniem kondensatora. Jednakże przy tym
bardziej skutecznie będzie zmniejszony wpływ pojemności rozproszenia, I odwrotnie, kondensa¬
tory o małej pojemności będą łatwiej się ładować, lecz wpływ pojemności rozproszenia będzie
bardziej zauważalny, Przy wyeliminowaniu wartości bezwzględnych pojemności kondensatorów jako
parametrów konstrukcyjnych możliwa jest większa swoboda w konstruowaniu modulatorów delta-sigma.
142 998
5
fbnadto w rozwiązaniu z przełączanymi pojemnościami realizowane są operacje próbkowa¬
nia i zapamiętywania na wejściu układu. Aktualnie, sygnały we wszystkich punktach układu zmie¬
niają się w dyskretnych przedziałach czasowych. W konsekwencji wejściowy sygnał komparatora,
wchodzącego w skład układu jest stabilny, gdy komparator podejmuje decyzję,
fbdstawowe rozwiązanie układu, parametry, funkcjonowanie są opisane szczegółowo w po¬
wiązaniu z korzystnym przykładem realizacji wynalazku według zgłoszenia.
Istota rozwiązania technicznego według wynalazku jest bliżej objaśniona w przykładzie
&
realizacji w oparciu o załączony rysunek, na którym fig, 1 przedstawia schemat blokowy typowego
rozwiązania znanego ze stanu techniki, fig, 2 - schemat blokowy układu, którego działanie opie¬
ra się o przełączane pojemności, fig, 3 - schemat modulatora według wynalazku, w którym wyko¬
rzystywane są dwa napięcia odniesienia +V i -V, fig, 4 - odwzorowanie kształtu impulsów wy¬
twarzanych w układzie według wynalazku z fig, 3, fig. 5 - schemat części układu z fig, 3, w któ¬
rym wykorzystywane jest jedno napięcie odniesienia +V, a fig, 6 przedstawia schemat układu
z fig. 3 z obwodem wykorzystującym jedno napięcie odniesienia z fig, 5.
Elektryczny schemat ideowy modulatora sigma-delta z pojemnościami przełączanymi według
wynalazku przeznaczonego do kodowania cyfrowego analogowego sygnału wejściowego jest przedsta¬
wiony na fig, 3.
Modulator sigma-delta zawiera generator sygnałów próbkujących 30 3 mający trzy wyjścia.
Na pierwszym wyjściu uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący^, na drugim wyjściu - drugi
sygnał próbkujący/^, a na trzecim wyjściu uzyskiwany jest sygnał taktujący o częstotliwości
f , Wejściem modulatora jest wejście pierwszego przełącznika 1, Doprowadzany jest do niego wej¬
ściowy sygnał analogowy U/t/, podlegający przekształceniu w sygnał cyfrowy. Wejście sterujące
tego przełącznika 1 jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących 303,
na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący^. Wyjście pierwszego przełącznika 1 jest
połączone z pierwszym wyprowadzeniem pierwszego kondensatora £■, którego drugie wyprowadzenie
jest połączone ze wspólnym punktem układu (masą). Punkt połączenia wyjścia pierwszego prze¬
łącznika 1 i pierwszego wyprowadzenia pierwszego kondensatora G.
jest połączone z wejściem dru¬
giego przełącznika 3, którego wejście sterujące jest połączone z drugim wyjściem generatora
sygnałów próbkujących 303, na którym uzyskuje się drugi sygnał próbkujący*^.
Wyjście drugiego przełącznika 3 jest dołączone do wejścia odwracającego pierwszego
wzmacniacza operacyjnego 4, Wyjście pierwszego wzmacniacza operacyjnego jest dołączone do wej¬
ścia trzeciego przełącznika10 , którego wejście sterujące jest połączone z pierwszym wyjściem
generatora sygnałów próbkujących 303, na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący'Os. •
Wyjście trzeciego przełącznika 10 jest połączone z pierwszym wyprowadzeniem drugiego konden¬
satora Cr, którego drugie wyprowadzenie jest połączone ze wspólnym punktem układu (masą).
Punkt połączenia wyjścia trzeciego przełącznika 10 i pierwszego wyprowadzenia drugiego konden¬
satora Cą jest dołączony do wejścia czwartego przełącznika 12, którego wejście sterujące jest
połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących 303, na którym uzyskiwany jest
drugi sygnał próbkujący /&,*
Wyjście czwartego przełącznika 12 jest dołączone do wejścia odwracającego drugiego
wzmacniacza operacyjnego 17, którego wyjście jest dołączone do wejścia jednobitowego przetwor¬
nika analogowo-cyfrowego A/d, składającego się z załączonego na wejściu komparatora 19 i
przerzutnika D 20, Przerzutnik 20 ma dwa wyjścia Q i "3, na którym uzyskiwane są sygnały cyfro¬
we b/n/ vi b/n/. Przy tym wejście sterujące przerzutnika 20 jest połączone z trzecim wyjściem
generatora sygnałów próbkujących 303, na którym uzyskiwany jest sygnał synchronizujący £ s ♦
Do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego 4 jest dołączone wyjście
pierwszego obwodu 301 przełączającego napięcie odniesienia, a do wejścia odwracającego dru¬
giego wzmacniacza operacyjnego 17 jest dołączone wyjście drugiego obwodu 302 przełączającego
napięcia odniesienia.
y
142 998
6
W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 3 w obwodach przełączających napięcia odniesie¬
nia 301-302 są wykorzystywane dwa napięcia odniesienia +V i -V. Te obwody przełączające na¬
pięcia odniesienia 301 i 302 mają podobną strukturę i pełnią podobne funkcje. Każdy z tych
obwodów składa się z pierwszego przełącznika 6, którego wejście jest dołączone do wyjścia źró¬
dła pierwszego napięcia odniesienia +V, a wejście sterujące - do pierwszego wyjścia generatora
sygnałów próbkujących 303f na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący -ftj, i do
drugiego wyjścia "3" przerzutnika 20. Wyjście pierwszego przełącznika 6 pierwszego obwodu 301
przełączającego napięcia odniesienia jest połączone z wyjściem drugiego przełącznika 7, które¬
go wejście jest połączone z wyjściem źródła drugiego napięcia odniesienia -V, a wejście ste¬
rujące - z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących 30 3, na którym uzyskiwany jest
pierwszy sygnał próbkujący^, i z pierwszym wyjściem Q przerzutnika 20.
PDłączone wyjścia pierwszego 6 i drugiego 7 przełączników pierwszego obwodu 301 prze¬
łączającego nacięcia odniesienia są dołączone do pierwszego wyprowadzenia trzeciego konden¬
satora C2 i do wejścia trzeciego przełącznika 9. Przy tym drugie wyprowadzenie trzeciego kon¬
densatora CU jest połączone ze wspólnym punktem układu (masą), a wejście sterujące trzeciego
przełącznika 9 Jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących 3039 na któ¬
rym uzyskuje się drugi sygnał próbkujący ^.
Drugi obwód 302 przełączający napięcia odniesienia ma podobną strukturę, a mianowicie:
zawiera pierwszy przełącznik 13f którego wejście jest połączone z wyjściem źródła pierwszego
napięcia odniesienia +Vf drugi przełącznik 14, którego wejście jest połączone z wyjściem źródła
drugiego napięcia odniesienia -V. Wejście sterujące pierwszego przełącznika 13 jest połączone
z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących 30 3t na którym uzyskiwany jest pierwszy
sygnał próbkujący^., i z pierwszym wyjściem Q przerzutnika 20• Wejście sterujące drugiego
przełącznika 14 Jest połączone z pierwszym wejściem generatora sygnałów próbkujących 30 3, na
którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący Su, i z drugim wyjściem "5 przerzutnika 20.
Wyjścia pierwszego 13 i drugiego 14 przełączników są połączone razem i dołączone do pierwszego
wyprowadzenia czwartego kondensatora Cc i do wejścia trzeciego przełącznika 16, którego wejście
sterujące Jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących 303, na którym
uzyskiwany Jest drugi sygnał próbkujący '6*. Drugie wyprowadzenie czwartego kondensatora Cc
jest połączone ze wspólnym punktem układu (masą) a wyjście trzeciego przełącznika 16 drugiego
obwodu 302 przełączającego napięcia odniesienia Jest dołączone do wejścia odwracającego dru¬
giego wzmacniacza operacyjnego 17*
Między wyjściem pierwszego wzmacniacza operacyjnego 4 a jego wejściem odwracającym
jest włączony piąty kondensator C~, natomiast między wyjściem drugiego wzmacniacza operacyjnego
17 a jego wejściem odwracającym jest włączony szósty kondensator Cg.
Działanie układu przedstawionego na fig* 3 jest następujące.
Generator sygnałów próbkujących 303 wytwarza sygnał taktujący o częstotliwości fs oraz
dwa inne sygnały próbkujące o współczynniku wypełnienia mniejszym od 5Q%. Jeden z tych sygna¬
łów jest oznaczony symbolem Kfc ("ładowanie"), a drugi- ("rozładowywanie" )• Figura 4 odwzo¬
rowuje te sygnały i ich typową współzależność czasową.
Rozpatrzmy następnie część układu na fig. 3 obejmującą przełączniki 1 i 3, kondensator
CL|, wzmacniacz 4 i kondensator C~. Tutaj sygnały z generatora 303 sygnału próbkującego ste¬
ruje przełącznikiem 1 r a sygnał ^ steruje przełącznikiem 3. Gdy ^Qsj ma niski poziom, przełącz¬
nik 1 Jest otwarty (obwód rozwarty), a gdyik ma wysoki poziom, przełącznik 1 jest zamknięty
(obwód zamknięty). Podobnie, z sygnałem/^ i przełącznikiem 3. To, że sygnały^ i/0£ nie po¬
krywają się w czasie, zapewnia, że przełączniki 1 i 3 nie mogą być w stanie zamkniętym jedno¬
cześnie.
Zakładając, że sygnał wejściowy u/t/ pozostaje stałym w przedziale czasowym -fnT, /n+1/ T
kondensator C| będzie się ładował w tym czasie, gdy sygnał'-Gs ma poziom wysoki, do napięcia
u /nT/. Przy założeniu, że wzmacniacz 4 jest idealnym wzmacniaczem operacyjnym, w przedziale
142 998
7
czasowym, gdy sygnał>6£ ma stan wysoki, cały ładunek zgromadzony na Cj będzie przesłany do
C,, co spowoduje zmianę napięcia na C, do
,
m/
CL . u /nT/
J%
Tak samo w moment t = /n+1/ T napięcia wyjściowe X wzmacniacza operacyjnego będzie wynosiło:
x C/n+1/ T7 = * /nT/ - / ^ . U /nT/
Przyrost ma znak ujemny z tego powodu, że wzmacniacz odwraca fazę.
Rozpatrzmy teraz funkcjonowanie przełączników 6, 7, 9 oraz kondensatora C^ Jeżeli b
/n/ jest +1 to znaczy ^ ma poziom wysoki, wówczas w przedziale/^., gdy sygnał'■(k ma poziom
wysoki, C^ będzie się ładował do +V. Mówiąc krótko, napięcie na Cp będzie się zmieniało zgodnie
z funkcją -b /n/ V, W okresie czasu/^, gdy sygnał -6^ ma poziom wysoki, ładunek będzie prze¬
kazany do C*. Całkowite działanie przełączników 1, 3, 6, 7, 9 kondensatorów Oj, C^, C* oraz
wzmacniacza 4 może być opisane równaniem:
4- . uU /nT/ + b/n/.V./ 2.
)£ /.
X /ń + 1/17 = Y /nT/ - jl
Ebdobnie, na wyjściu drugiego wzmacniacza operacyjnego 17 napięcie będzie odwzorowane rów¬
naniem:
g
c
W Z"/n+1/ T7 = V /nT/ - / ^Ao
/ .X /nT/ - b/n/.V.
I •£- I.
6
Zaznaczone linią kreskowaną obwody 301, 302 mogą być nazwane przełącznikami napięć
odniesienia. Działanie komparatora i przerzutnika D jest opisywane równaniem:
b /n + 1/ . Sqn [ W £7n + 1/ tJ} .
Charakterystyki szumowe i stabilność modulatora delta-sigma są wyznaczone stosunkami
pojemności ^/c^; C^/c^; C^/c^; Cc/Cg.
Napięcie V jest określane jako "napięcie odniesienia11 i normalnie wszystkie napięcia
są określane jako jego części. Napięcie V jest czasem używane Jako graniczne napięcie kodera'
i określa maksymalną amplitudę sygnału wejściowego. Amplituda sygnału wejściowego większa od
V będzie wywoływała przeciążenie.
Dla typowego modulatora delta-sigma następujące wartości stosunków pojemności są uzna¬
wane za zadawalające:
a1
°2
1
C1
°2
1
C4
C5
1.
Należy zaznaczyć, że układ z fig. 3 wymaga dwóch napięć odniesienia: +V i -V. Jeżeli
będzie dostępne tylko jedno napięcie, na przykład +V, wówczas układ z +V, -V, przełącznikami
6, 7, 9 i kondensatorem CU podobnie jak z +V, -V, przełącznikami 13f 14, 16 i kondensatorem
Ce może być zastąpiony układem z fig. 5 wchodzącym w skład układu z fig. 6 jako zaznaczony
linią kreskowaną blok 601.
IKład z fig. 6 jest przystosowany do pracy z jednym napięciem odniesienia V. Różni się
on od układu z fig. 3 strukturą przełączników przełączających napięcie odniesienia.
Mianowicie, obwód przełączający napięcie odniesienia, dołączony do wejścia odwracają¬
cego pierwszego wzmacniacza operacyjnego 4 zawiera pierwszy przełącznik 21, którego wejście
jest dołączone do wyjścia źródła napięcia odniesienia +V. Wejścia sterujące pierwszego przełącz¬
nika 21 jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących 303, na którym
uzyskuje się pierwszy sygnał próbkujący^. Wyjście pierwszego przełącznika 21 jest połączone
z wyjściem drugiego przełącznika 22, a punkt połączenia tych wyjść jest dołączony do pierwsze¬
go wyprowadzenia pierwszego kondensatora C~ pierwszego obwodu przełączającego napięcie odnie¬
sienia dołączonego do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego 4. Wejście
drugiego przełącznika 28 jest połączone ze wspólnym punktem układu (masą).
142
8
998
Drugie wyprowadzenie pierwszego kondensatora CU jest połączone z wejściem czwartego
przełącznika 23 połączonym z wyjściem trzeciego przełącznika 24, przy czym wyjście czwartego
przełącznika 23 stanowi wyjście obwodu 501 i jest dołączone do wejścia odwracającego pierwszego
wzmacniacza operacyjnego 4, a wejście trzeciego przełącznika 24 jest połączone z masą układu.
Obwód przełączający napięcia odniesienia dołączony do wzmacniacza odwracającego pier¬
wszego wzmacniacza operacyjnego 4 zawiera jeszcze piąty przełącznik 25, którego wejście jest
dołączone do wyjścia źródła napięcia odniesienia +V i którego wejście sterujące jest połączone
z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących 303> na którym uzyskiwany jest pierwszy
sygnał próbkującymi Do wyjścia piątego przełącznika 25 jest dołączone pierwsze wyprowadzenie
drugiego kondensatora Cg, którego drugie wyprowadzenie jest połączone z masą układu.
Rjnkt połączenia wyjścia piątego przełącznika 25 i pierwszego wyprowadzenia kondensa¬
tora CU jest dołączony do wejścia szóstego przełącznika 26, którego wejście sterujące jest
połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących 303f na którym uzyskiwany jest
drugi sygnał próbkujący^. Wyjście szóstego przełącznika 26 jest połączone z wyjściem obwodu
przełączającego napięcia odniesienia dołączonego do wejścia odwracającego pierwszego wzmacnia¬
cza operacyjnego 4.
Do wejścia odwracającego drugiego wzmacniacza operacyjnego 17 jest przyłączony drugi
obwód przełączający napięcia odniesienia. Ma strukturę podobną do struktury pierwszego obwodu
przełączającego napięcia odniesienia, dołączonego do wejścia odwracającego pierwszego wzmacnia¬
cza operacyjnego.
Różnica polega jedynie na tym, że wejście sterujące drugiego przełącznika 30 jest do¬
łączone do drugiego wejścia generatora sygnałów próbkujących 30 3 i do drugiego wejścia Q
przerzutnika 20, a wejście sterujące czwartego przełącznika 32 jest połączone z drugim wyjściem
generatora sygnałów próbkujących 303 i z drugim wyjściem Q przerzutnika 20.
Działanie układu z figi 6 przedstawia się następującoi W ciągu każdego przedziału
próbkowania kondensator Cq ładuje się do V w okresie ^ i w okresie <&^% wywołując zmianę na¬
pięcia - /CU/C,/. V na wyjściu wzmacniacza 4i
W przedziale czasowym &+ pojemność £• ładuje się do V wolt, przy czym biegunowość na¬
pięcia jest taka, jak na figi 5 i na: fig• 6i Jeżeli C^ ma poziom wysoki, to znaczy b /n/ = +1,
przełączniki 23f 22 będą zamknięte w przedziale *&>, a ponieważ biegunowość jest odwracana,
wywoła to zmianę + /CU/c,/ V na wyjściu wzmacniacza 4. Jeżeli b /n/ = -1, wówczas CU nie roz¬
ładuje się do CU. W wyniku otrzymujemy
jeżeli bn . +1: A x . / °7
lub jeżeli bn. -1:
% / . V - / C1 / . U /nT/
U, - / £/ , V- / J-/
c3 C3
U /nT/
Jeżeli CnS 2 CU, wówczas całkowite działanie układu z fig. 5 może być opisane równaniemj
C
CU
x T/n+1/ T7 •= x /nT/ - /cV.U /nT/ + b/n/ . V. /^ /
podobnie:
W /Vn+1/ T7 « W /nT/ - /|t/ .x/nT/ - b /n/i /^Ł / .
6
6
Stosując modulator delta-sigma według wynalazku w wykonaniu, jak na fig. 6, można za¬
pewnić następujące wartości stosunków pojemności:
i - Sa_. 2
°a "
cio *
142 998
9
Częstotliwość próbkowania powinna być dużo większa od największej częstotliwości skła¬
dowej sygnału wejściowego u /t/. Wynalazek w szczególności jest użyteczny dla cyfrowo kodov/anych sygnałów pasma telefonicznego (mowy) dla transmisji przez dyskretne kanały telefoniczne.
Rmieważ takie sygnały wymagają tylko pasma przenoszenia o szerokości kilku kHz odpowiednio
częstotliwość próbkowania równa 1 MHz typowa dla modulatora według wynalazku spełnia powyższe
wymagania*
Zastrzeżenia
patentowe
1. Modulator delta-sigma przeznaczony do cyfrowego kodowania analogowego sygnału wej¬
ściowego, zawierający generator sygnałów próbkujących i taktujących oraz przetwornik analogowocyfrowy, znamienny
tym, że zawiera pierwszy kondensator (G. ), którego Jedno
wyprowadzenie jest połączone z masą układu a drugie wyprowadzenie jest połączone z wyjściem
pierwszego przełącznika (1 ), którego wejście jest połączone z wejściem modulatora, do którego
doprowadzany Jest przetwarzany sygnał analogowy, a wejście sterujące jest połączone z pierwszym
wyjściem generatora sygnałów taktujących (303), na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał
próbkujący (fi^ )f drugi przełącznik (3), którego wejście jest połączone z wyjściem pierwszego
przełącznika (1), wejście sterujące Jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów prób¬
kujących (303), na którym uzyskiwany jest drugi sygnał próbkujący (^2)f a wyjście jest połą¬
czone z wejściem odwracającym pierwszego wzmacniacza operacyjnego (4), drugi kondensator (C^),
którego jedno wyprowadzenie jest połączone z masą układu, a drugie - z wyjściem trzeciego
przełącznika (10), którego wejście jest połączone z wyjściem pierwszego wzmacniacza operacyj¬
nego (4), a wejście sterujące - z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących (303),
na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący (•&.), przy czym wyjście trzeciego prze¬
łącznika (10) połączone z drugim wyprowadzeniem drugiego kondensatora (C.) jest dołączone do
wejścia czwartego przełącznika (12), którego wejście sterujące jest połączone z drugim wyjściem
generatora sygnałów próbkujących (303), na którym uzyskiwany jest drugi sygnał taktujący (e^),
a wyjście - z wejściem odwracającym drugiego wzmacniacza operacyjnego (17), którego wyjście
jest dołączone do wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego (19, 20), przy czym do wejścia
odwracającego każdego ze wzmacniaczy operacyjnych (4, 17) dołączony jest obwód (301, 302)
przełączający napięcia odniesienia, a wejście sterujące przetwornika analogowo-cyfrowego (19»
20) Jest połączone z trzecim wyjściem generatora sygnałów próbkujących (303), na którym uzys¬
kiwany jest sygnał taktujący (fs)i
2# Modulator według zastrzi 2, znamienny
tym, że przetwornik analogowocyfrowy (19* 20 ) zawiera załączony na wejściu komparator (19) oraz załączony na wyjściu kom¬
paratora (19) przerzutnik D (20), mający wyjście (p) i dwa wyjścia (Q, Q)«
3* Modulator według zastrz. 1,
znamienny
tym,
że dołączony do wejścia
odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego (4) obwód (301) przełączony napięcia odnie¬
sienia zawiera trzeci kondensator (C^Jt którego Jedno z wyprowadzeń jest połączone z masą
układu, a drugie wyprowadzenie - z połączonymi wyjściami piątego (6) i szóstego (7) przełącz¬
ników i z wejściem siódmego przełącznika (9), którego wyjście jest wyjściem obwodu (301)
przełączającego napięcia odniesienia, przy czym wejścia piątego przełącznika (6) jest dołączo¬
ne do wyjścia źródła pierwszego napięcia odniesienia (+V), wejście szóstego przełącznika (7)
jest dołączone do wyjścia źródła drugiego napięcia odniesienia (-V), wejście sterujące pią¬
tego przełącznika (6) Jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących
(303)t na którym uzyskiwany Jest pierwszy sygnał próbkujący (^ ), i z drugim wyjściem prze¬
twornika analogowo-cyfrowego (19# 20 ), na którym uzyskiwany jest sygnał (Q), wejście sterujące
szóstego przełącznika (7) Jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących
(303), na którym uzyskiwany Jest pierwszy sygnał próbkujący fffcj), i z pierwszym wyjściem prze¬
twornika analogowo-cyfrowego (19» 20), na którym uzyskiwany jest sygnał (Q), natomiast wejście
sterujące siódmego przełącznika (9) Jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów prób¬
kujących (303)t na którym uzyskiwany Jest drugi sygnał próbkujący ("€£)•
142 998
10
4. Modulator według zastrz. 1, znamienny
tym, że dołączony do wejścia
odY.Tacającego drugiego wzmacniacza operacyjnego (17) obwód (302) przełączający napięcia odnie¬
sienia zawiera czwarty kondensator (Cc), którego jedno z wyprowadzeń jest połączone z masą
układu, a drugie wyprowadzenie - z połączonymi razem wyjściami ósmego (13) i dziewiątego (14)
przełącznika i z wejściem dziesiątego przełącznika (16), którego wyjście jest wyjściem obwodu
(302) przełączającego napięcia odniesienia dołączonym do wejścia odwracającego drugiego wzmac¬
niacza operacyjnego (17), przy czym wejście ósmego przełącznika (13) jest dołączone do wyjścia
źródła pierwszego napięcia odniesienia (+V), wejście dziewiątego przełącznika (14) jest dołą¬
czone do wyjścia źródła drugiego napięcia odniesienia (-V), wejście sterujące ósmego przełącz¬
nika (13) jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących (30 3), na
którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący ('Bij ), i z pierwszym wyjściem przetwornika
analogowo-cyfrowego (19, 20 ), na którym uzyskiwany jest sygnał (Q), wejście sterujące dzie¬
wiątego przełącznika (14) jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów próbkujących
(30 3), na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący (^ ), i z drugim wyjściem prze¬
twornika analogowo-cyfrowego (19, 20), na którym uzyskiwany jest sygnał (5).
5« Modulator według zastrz, 3,
znamienny
tym,
że między wyjściem pier¬
wszego wzmacniacza operacyjnego (4) a jego wejściem odwracającym włączony jest piąty konden¬
sator (C,)#
6. Modulator według zastrz, 4, znamienny
tym, że między wyjściem drugie¬
go wzmacniacza operacyjnego (17) a jego wejściem odwracającym włączony jest szósty konden¬
sator (Cg),
1. Modulator według zastrz, 1,
znamienny
tym,
że dołączony do wejścia
odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego obwód przełączający napięcia odniesienia za¬
wiera dwa kondensatory (CU i Cg), z których pierwszy kondensator (Cy) ma pierwsze wyprowadze¬
nie dołączone do połączonych razem wyjść pierwszego (21) i drugiego (22) przełączników, przy
czym wejście pierwszego przełącznika (21) jest dołączone do wyjścia źródła napięcia odniesie¬
nia (+V), a wejście drugiego przełącznika (22) jest połączone z masą układu, drugie wyprowa¬
dzenie pierwszego kondensatora (Cj) jest połączone z wejściem czwartego przełącznika (23)
połączonym z wyjściem trzeciego przełącznika (24), przy czym wyjście czwartego przełącznika
(23) stanowi wyjście obwodu przełączającego napięcia odniesienia dołączonego do wejścia odwra¬
cającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego (4), a wejście trzeciego przełącznika (24) jest
połączone z masą układu, jedno z wyprowadzeń drugiego kondensatora (CQ) jest połączone z masą
układu, a jego drugie wyprowadzenie jest połączone z wyjściem piątego przełącznika (25), któ¬
rego wejście jest połączone z wyjściem źródła napięcia odniesienia (+V), i z wejściem szóstego
przełącznika (26), którego wyjście jest dołączone do wyjścia obwodu przełączającego napięcia
odniesienia dołączonego do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego (4), przy
czym wejście sterujące pierwszego przełącznika (21) jest połączone z pierwszym wyjściem gene¬
ratora sygnałów próbkujących (303), na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący (-Os ),
wejście sterujące drugiego przełącznika (22) jest połączone z drugim wyjściem generatora sygna¬
łów próbkujących (303), na którym uzyskiwany jest drugi sygnał próbkujący £6£), i z pierwszym
wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego (19, 20), na którym uzyskiwany jest sygnał (Q)f
wejście sterujące trzeciego przełącznika (24) jest połączone z pierwszym wyjściem generatora
sygnałów próbkujących (303), na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący (9^), wejście
sterujące czwartego przełącznika (23) jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów
próbkujących (303), na którym uzyskiwany jest drugi sygnał próbkujący (t9^)f i z pierwszym wyj¬
ściem przetwornika analogowo-cyfrowego (19, 20 ), na którym uzyskiwany jest sygnał (Q), wejście
sterujące piątego przełącznika (25) jest połączone z pierwszym wyjściem generatora sygnałów
próbkujących (303)* na którym uzyskiwany jest pierwszy sygnał próbkujący (*fcr), a wejście ste¬
rujące szóstego przełącznika (26) jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów prób¬
kujących (30 3), na którym uzyskiwany jest drugi sygnał próbkujący (€£)•
8* Modulator według zastrz, 1 albo 7,
znamienny, tym,
że obwód przełą¬
czający napięcia odniesienia dołączony do wejścia odwracającego drugiego wzmacniacza opera¬
cyjnego (17) ma strukturę analogiczną jak obwód przełączający napięcia odniesienia dołączony
142 998
11
do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza operacyjnego (4) przy czym wejście sterujące
czwartego przełącznika (32) jest dołączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących
(303) i z drugim wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego (19t 20), a wejście sterujące
drugiego przełącznika (30) jest połączone z drugim wyjściem generatora sygnałów próbkujących
(303) i z drugim wyjściem przetwornika analogowo-cyfrowego (19, 20)•
xmrrf^
— V
i
rr^n
A/D
i
D/*
u/
1
i^J
Figi
X(Ł
-
rti
H(z)
,
blnl
142 998
19*
C6 6th
C3»h
m-gmTc1
-Mst
■fi
£2
l3
«ino
^2
,
X C4
17
^2nd
-.
(n-DT nT
•ii
-303
►b(n) = -1
>b(n)=*1
Fig.3
(n+1)T
Ł-
(n+2)T
J
1
f
J
)
n
n
_j~i n : tl
n
■©2(
l>20
^nQ, | T Uh
! '14-^-
l_
El-~b(n)
*2—l
Qn =
Qn =
>ł
A/O
ZH
w
I
^C23rd
1-
f2
10
/301
20
1
f
1
^
i
J~L
_r
n
Fig. U
C6
U(t)
«1 d2
C1
W £1
«1 ©-2
3
C? tS?
10
nrL4
122
^17
■©2nQ
♦v.
¥
«-1—f
■&2—L
29
•e2nQ^V30XV33
«-1 -©-2
^601
34Z
XC10
\}5
Pracownia Poligraficzna UP PRL. Nakład 100 egz
Cena 220 zł
F/g. 6
n?s
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 626 Кб
Теги
pl142998b1
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа