187522. lajstromszámú szabadalom • Delta-szigma modulátor kapcsolt kondenzátorokkal
1 .187 522 2 építését mutatja be és lényegében nem más mint egy analóg-digitál átalakító, a 2. ábra a kapcsolt kondenzátorokkal kialakított elrendezés és visszacsatolás elvi vázlatát mutatja be, a 3. ábrán látható a találmány szerinti delta-szigma modulátor egy olyan példaként! kiviteli alakja, ahol mind pozitív, mind pedig negatív tápfeszültséget alkalmazunk, a 4. ábra a 3. ábrán bemutatott példakénti kiviteli alak órajelgenerátorának idöfüggvényeit mutatja be, az 5. ábrán látható a 3. ábrán bemutatott kiviteli alak egy olyan változatának a részlete, ahol csak pozitív tápfeszültséget alkalmazunk, a 6. ábra a 3. ábra egy olyan példakénti kiviteli alakjának blokkvázlata, ahol mindegyik fokozat látható és csak pozitív tápfeszültséget alkalmazunk. Kiindulásként szeretnénk hangsúlyozni azt, hogy a delta-szigma modulátor mint elnevezés gyakran fordított sorrendben is alkalmazható és alkalmazzák is, tehát úgy, hogy szigma-delta modulátor és ez minden esetben csak az éppen az adott kapcsolási elrendezéssel foglalkozó szakember álláspontjától függ. Az 1. ábrán bemutatott és a technika állását tükröző kapcsolási elrendezés lényegében önmagáért beszél. Az 1. ábrán látható egy D/A átalakító, amely impulzusformáló fokozatot tartalmaz, amely a két különböző impulzus egyikét attól függően, hogy a digitális jel magas vagy alacsony szintű, matematikailag +A vagy - A értékké alakítja át, ahol az A egy szám és egy feszültség közötti arány. Az alapvetően aluláteresztő integrálótagként kiképezett átviteli elem függvénye a H(s) meghatározza a delta-szigma modulátor rendüségét. A H(s) tipikusan egy elsőfokú szűrő, akkor ha H(s) = g/s, és másodrendű szűrőtag akkor, ha H(S) = g(S + C) (s + a) (s + b) 5 10 15 20 25 30 35 40 Lényegében elmondhatjuk, hogy a modulátornál a zaj csökkenését, amely lényegében a bemeneti függvény digitális jellé való átalakításának pontat- 45 lansága, azáltal értük el a delta-szigma modulátorral, hogy a korábbi átalakítási hibák mindegyikét, valamint ennek a visszacsatolását mint egy hibajelet a következő átalakítóba korrigáltuk. Ezen eljárás során az elsőrendű modulátoroknál egy perió- 50 dus idő alatt a hiba átlaga nulla lesz, míg másodrendű modulátoroknál nemcsak a hiba átlagértéke lesz nulla, hanem a hiba elsőrendű differenciálhányadosának is az értéke nulla lesz. Az elsőfokú rendszereknél csak az egyenáramú 55 bemeneti jeleket lehet pontosan digitális jellé átalakítani. A másodrendű rendszereknél a folyamatos bemenő jel, amely digitális jellé átalakítható, sávszélessége lényegesen megnő. Az ismert szürőzési eljárások szerint az integráló 60 szűrő H(S) jele mint elsőfokú delta-szigma-modulátor a következőképpen írható le: H(s) = a + ßs 1 + rjs ’ 65 és hasonlóan a másodfokú szűrő egyenlete: H(s) = a + ßs + ős 1 +T|S + S2 ^ A kondenzátorok kapacitását és az egyéb alkatrészértékeket úgy kell megválasztani, hogy ezeknek az állandóknak az értékét előre megadjuk. A deltaszigma modulációval megtervezhető a zaj időállandója és a rendszer stabilitása. A bevezetőben említett cikk, amelynek címe „A kvantálási zaj csökkentése visszavezetéssel”, elvileg tárgyalja az alapvető követelményeket és alapvető tervezési feltételeit a delta-szigma modulációnak. A bevezetőben említett második cikk „Telemetriás rendszer delta-szigma modulációs kódolással” megvalósítását és az analízisét tárgyalja az elsőrendű delta-szigma modulátoroknak. Ez utóbbi cikknek az 1. ábrája a hibajelet mutatja be az idő függvényében, amely hibajel S(t) - P(t) egy integrátorba van vezetve, amely integrátornak elsőfokú függvény az átviteli függvénye, és ezt nevezi tulajdonképpen elsőrendű delta-szigma modulátornak, amelyek lényegében egy-egy szűrő átviteli függvényei, elsőrendű függvények, továbbá általánosságban határozza meg és mutatja be a többszintű kvantáló jellemzőket. Az elsőként említett cikk szerzői sokkal egyszerűbb analízist végeznek el, mivel a mintavevő és a kvantáló áramkört különkülön vizsgálják. Ez a konfiguráció a konvencionális analóg áramkörökkel nem valósítható meg, vagyis az amiről a második cikkben említést tesznek. A találmányunk szerinti eljárás kapcsolási elrendezésénél a mintavevő és a kvantáló különállóan is megvalósítható a kapcsolt kondenzátorok segítségével. A második cikk 1. ábrájában a mintavevő impulzusgenerátor és az impulzusmodulátor együtt képeznek egy A/D + D/A átalakítót. Az impulzusmodulátor kimenete egy ismert alakú impulzus, amelynek polaritását az impulzusmodulátor bemenetén lévő analóg jelnek a polaritása határozza meg a mintavételezés pillanatában. Az idézett technika állásához tartozó cikkekben ismertetett áramköröknél a kiválasztott kiviteli formáknál az egyes elemeknek az értékeit általában kísérletileg határozzák meg és azután az így létrehozott áramkört laboratóriumban vizsgálják és utána finomítják még. A magasabbrendű delta-szigma modulátoroknak általában a zajjal szembeni viselkedése sokkal jobb, azonban a rendszerek sokkal kevésbé stabilak és általában alkalmazásukat nem is ajánlják. Az a másodrendű kiviteli alak, amelyet a továbbiakban ismertetünk, egy optimálisnak tekinthető kiviteli alak. A 2. ábrán látható egy kapcsolt kondenzátorokkal kialakított elrendezés blokkvázlata, ahol a kondenzátorok értékének a meghatározásánál az előbb említett szempontokat messzemenően figyelembe vettük. Az ábrán látható a mintavevő áramkör, amely egy különbségképzőn és egy H(z) átvitel függvénnyel rendelkező tagon keresztül van a kvantáló fokozatra kapcsolva, amelynek kimenete az egység kimenetét is képezi és amely vissza van 4
