專利名稱：脈沖調(diào)制器和脈沖調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將復(fù)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)的脈沖調(diào)制器以及用于復(fù)輸入信號(hào)的脈沖調(diào)制的方法。
背景技術(shù)：
可使用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器來(lái)將數(shù)字輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。然而，這些模塊很昂貴，并且需要相對(duì)大量的電功率。頻繁地需要大量電源電壓。另一個(gè)缺點(diǎn)在于數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器難以與數(shù)字電子裝置相集成，并由此限制了小型化。
由此，在很多應(yīng)用中，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器正被例如sigma-delta轉(zhuǎn)換器的數(shù)字脈沖調(diào)制器取代。傳統(tǒng)的sigma-delta調(diào)制器具有對(duì)輸入信號(hào)和反饋量化信號(hào)之間的差信號(hào)進(jìn)行積分的積分器、以及對(duì)積分信號(hào)進(jìn)行量化的量化器。隨后，可在量化器的輸出端抽出(tap off)量化的脈沖信號(hào)，并將其作為反饋信號(hào)而反饋到sigma-delta轉(zhuǎn)換器的輸入端。通過(guò)具有從ω＝0附近的低頻范圍向更高頻率偏移的量化噪聲的典型噪聲特性，來(lái)區(qū)別sigma-delta調(diào)制器。隨后，可借助于下游(downnstream)的低通濾波器而抑制在更高頻率區(qū)域中出現(xiàn)的噪聲。sigma-delta轉(zhuǎn)換器可以低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)，并可與數(shù)字電子裝置相集成。然而，對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，能夠使較高頻率中的量化噪聲保持為低將是有優(yōu)勢(shì)的。

發(fā)明內(nèi)容
由此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種脈沖調(diào)制器以及用于脈沖調(diào)制的方法，其中可靈活地修改量化噪聲的譜分布。
通過(guò)如在權(quán)利要求1中所要求的用于將復(fù)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)的脈沖調(diào)制器、通過(guò)如在權(quán)利要求16中所要求的驅(qū)動(dòng)電路、通過(guò)如在權(quán)利要求19中所要求的頻率生成器、以及通過(guò)如在權(quán)利要求21中所要求的用于對(duì)復(fù)輸入信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制的方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的此目的。權(quán)利要求31涉及用于進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的方法的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
用于將復(fù)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)的根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器具有減法級(jí)，其根據(jù)復(fù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的差而產(chǎn)生控制誤差信號(hào)。該脈沖調(diào)制器還具有信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)，其將控制誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)。在第一乘法級(jí)中，將該控制信號(hào)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)，由此產(chǎn)生已通過(guò)ω0而被上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部和虛部中的至少一個(gè)。該脈沖調(diào)制器還具有量化級(jí)，其對(duì)已通過(guò)ω0而被上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部和虛部中的至少一個(gè)進(jìn)行量化，并由此產(chǎn)生脈沖信號(hào)；以及反饋單元，其使用該脈沖信號(hào)來(lái)產(chǎn)生用于減法級(jí)的反饋信號(hào)。
將在下面的文本中對(duì)于保持恒定的輸入信號(hào)的例子而說(shuō)明表示傳統(tǒng)的sigma-delta轉(zhuǎn)換器的有利修改的根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器的操作方法，同時(shí)沒(méi)有任何對(duì)通用性的限制。減法級(jí)和信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)將此輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為同樣在時(shí)間上僅稍有變化的控制信號(hào)。然而，與傳統(tǒng)的sigma-delta轉(zhuǎn)換器相反，現(xiàn)在由第一乘法級(jí)將此控制信號(hào)以此方式而依次乘以頻率ω0的復(fù)混頻信號(hào)，以產(chǎn)生被上混頻到頻率ω0的控制信號(hào)。隨后，由量化級(jí)對(duì)在頻率ω0上振蕩的此控制信號(hào)的實(shí)部或虛部進(jìn)行量化，由此，在量化級(jí)的輸出端上產(chǎn)生具有在頻率ω0上的支配(dominant)頻率分量的實(shí)脈沖信號(hào)。此實(shí)脈沖信號(hào)借助于正或負(fù)脈沖一起而仿真頻率ω0的正弦信號(hào)。同一時(shí)刻的此脈沖信號(hào)表示用于計(jì)算反饋信號(hào)的起始點(diǎn)，該反饋信號(hào)被反饋到減法級(jí)以從輸入信號(hào)中減去它，以便確定控制誤差。
為了產(chǎn)生脈沖信號(hào)，不是絕對(duì)必須計(jì)算用ω0而上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部和虛部?jī)烧?。如果意圖是從上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部導(dǎo)出脈沖信號(hào)，那么，不一定需要產(chǎn)生上混頻的控制信號(hào)的虛部。
根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器相對(duì)于傳統(tǒng)的sigma-delta調(diào)制器的主要優(yōu)點(diǎn)在于低量化噪聲的范圍從ω＝0附近的低頻范圍朝向操作頻率ω0偏移。這通過(guò)在第一乘法級(jí)中對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)(complex)上混頻來(lái)實(shí)現(xiàn)。這產(chǎn)生在ω0周圍的相關(guān)譜范圍中實(shí)際具有低噪聲電平的脈沖信號(hào)。
用于理解噪聲特性的起點(diǎn)是例如，可由積分器形成的信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)具有低通特性。這意味著信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)部分地抑制相對(duì)高的頻率分量。在傳統(tǒng)的sigma-delta轉(zhuǎn)換器中，在控制環(huán)路中對(duì)較高頻率分量的這種抑制引起在這些較高頻率上的量化噪聲的上升。相反，在低頻范圍中的量化噪聲很低。在根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器的情況中，通過(guò)乘以頻率ω0的復(fù)混頻信號(hào)，而將可在信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)的輸出端上抽出的控制信號(hào)上混頻到頻率ω0。由此，即使在輸入側(cè)上的信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)仍然在處理未被上混頻的信號(hào)，低量化噪聲的范圍也從頻率ω＝0朝向混頻頻率ω0偏移。這產(chǎn)生具有在ω0附近很低的噪聲電平的脈沖信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器可以低成本來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要相對(duì)少的電功率，并可被容易地與數(shù)字電子裝置集成在一起。
脈沖調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)在于具有用于處理輸入信號(hào)的實(shí)部的同相信號(hào)路徑、以及用于處理輸入信號(hào)的虛部的正交信號(hào)路徑。這對(duì)于各自分別是具有實(shí)信號(hào)分量以及虛信號(hào)分量的復(fù)信號(hào)的控制誤差信號(hào)、控制信號(hào)以及反饋信號(hào)來(lái)說(shuō)也是有利的。為了確保實(shí)脈沖信號(hào)以正確的相位反映通過(guò)ω0而被上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部或虛部，減法級(jí)、信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)、第一乘法級(jí)和反饋單元是各自具有同相信號(hào)路徑和正交信號(hào)路徑的復(fù)信號(hào)處理單元。然而，僅需要來(lái)自第一乘法級(jí)的輸出信號(hào)的實(shí)部(或虛部)，以便借助于量化級(jí)而從該實(shí)部(或虛部)導(dǎo)出實(shí)脈沖信號(hào)。由此，量化級(jí)可為實(shí)處理級(jí)。事實(shí)上，隨后，在反饋單元中，再次將實(shí)脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為復(fù)反饋信號(hào)。脈沖調(diào)制器的這種設(shè)計(jì)使得有可能通過(guò)正確的相位，而合成再現(xiàn)具有低相位和幅度噪聲的頻率ω0上的諧波振蕩的實(shí)脈沖信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利實(shí)施例，信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)具有積分器級(jí)，其對(duì)控制誤差信號(hào)進(jìn)行積分，并產(chǎn)生作為控制信號(hào)的積分信號(hào)。對(duì)控制誤差信號(hào)的積分使得有可能使(復(fù))積分信號(hào)不斷地受復(fù)輸入信號(hào)支配(slave)。由于積分器級(jí)具有低通濾波器特性，所以，這在積分器級(jí)的輸出端上產(chǎn)生在ω0周圍區(qū)域中具有減小的噪聲電平的控制信號(hào)。如果隨后由第一乘法級(jí)對(duì)此控制信號(hào)進(jìn)行上混頻、然后量化，則這產(chǎn)生具有期望的噪聲特性的脈沖信號(hào)。
有利的是，積分器級(jí)具有用于同相信號(hào)路徑的第一積分器、以及用于正交信號(hào)路徑的第二積分器，其中第一積分器對(duì)控制誤差信號(hào)的實(shí)部進(jìn)行積分，而第二積分器對(duì)控制誤差信號(hào)的虛部進(jìn)行積分。可借助于兩個(gè)分離的積分器，以此方式產(chǎn)生用于復(fù)控制誤差信號(hào)的復(fù)積分器級(jí)。
有利的是，信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)具有放大器級(jí)。在此情況中，將增益因子選擇為使得量化器接收正確的輸入信號(hào)電平。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)有利實(shí)施例，第一乘法級(jí)具有用于同相信號(hào)路徑的第一乘法器、以及用于正交信號(hào)路徑的第二乘法器。第一乘法器將控制信號(hào)的實(shí)部乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)的實(shí)部，并由此產(chǎn)生第一結(jié)果信號(hào)。第二乘法器將控制信號(hào)的虛部乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)的虛部，并由此產(chǎn)生第二結(jié)果信號(hào)。根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，脈沖調(diào)制器具有加法器，其將來(lái)自第一乘法器的第一結(jié)果信號(hào)與來(lái)自第二乘法器的第二結(jié)果信號(hào)相加，以形成和信號(hào)，以便確定上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部。
如果假定復(fù)控制信號(hào)是R+j·I的形式，并且，舉例來(lái)說(shuō)，將復(fù)混頻信號(hào)表示為e-jω0t形式，那么，來(lái)自第一乘法器的第一結(jié)果信號(hào)變?yōu)镽·cos(ω0t)。來(lái)自第二乘法器的第二結(jié)果信號(hào)呈現(xiàn)為形式I·sin(ω0t)，并且加法器產(chǎn)生信號(hào)R·cos(ω0t)+I·sin(ω0t)，作為和信號(hào)。然而，此信號(hào)精確地對(duì)應(yīng)于(R+j·I)·e-jω0t的實(shí)部。由此，可通過(guò)第一乘法器、第二乘法器、以及加法器，來(lái)確定控制信號(hào)和混頻信號(hào)的復(fù)數(shù)乘積的實(shí)部。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利實(shí)施例，隨后，由量化級(jí)以此方式而依次對(duì)由加法器產(chǎn)生的和信號(hào)進(jìn)行量化，以產(chǎn)生實(shí)脈沖信號(hào)。
在此情況下，有利的是，將噪聲電平加到至量化級(jí)的輸入信號(hào)上。以必須顯著高于混頻頻率ω0的采樣頻率ωA而對(duì)脈沖調(diào)制器進(jìn)行計(jì)時(shí)(clocked)。ω0對(duì)ωA的特定比產(chǎn)生在脈沖調(diào)制器中形成的張弛振蕩，并且，在脈沖信號(hào)的頻譜中，可作為附加峰值而看到這些張弛振蕩。由于將噪聲信號(hào)加到至量化器的輸入信號(hào)上，所以，對(duì)量化過(guò)程的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)舍入(statistical rounding)。這個(gè)技巧使得有可能防止張弛振蕩的形成。
優(yōu)選地，量化級(jí)對(duì)其各個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制量化或三進(jìn)制量化。在二進(jìn)制量化的情況下，脈沖信號(hào)可僅呈現(xiàn)值0和1。由此，產(chǎn)生僅包含正電壓脈沖的脈沖信號(hào)。三進(jìn)制量化的脈沖信號(hào)可呈現(xiàn)值-1、0、1。由此，例如這種脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)包括正和負(fù)電壓脈沖兩者。由此，只要脈沖信號(hào)需要具有正和負(fù)脈沖兩者，則進(jìn)行三進(jìn)制量化。
優(yōu)選地，反饋單元具有第二乘法級(jí)，其將脈沖信號(hào)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)共軛混頻信號(hào)，并且，由此產(chǎn)生通過(guò)ω0而被下混頻的反饋信號(hào)，用于減法器。通過(guò)對(duì)上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部進(jìn)行量化而產(chǎn)生脈沖信號(hào)，并且，由此使其支配頻率分量位于頻率ω0上。因此，在可使用此脈沖信號(hào)作為反饋信號(hào)之前，必須再次將其下混頻到基帶。為此目的，將脈沖信號(hào)以此方式依次乘以頻率ω0上的復(fù)共軛混頻信號(hào)，以得到下混頻的復(fù)反饋信號(hào)。
優(yōu)選地，第二乘法級(jí)具有用于產(chǎn)生反饋信號(hào)的實(shí)部的第三乘法器、以及用于產(chǎn)生反饋信號(hào)的虛部的第四乘法器，其中第三乘法器將脈沖信號(hào)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)共軛混頻信號(hào)的實(shí)部，并且第四乘法器將脈沖信號(hào)乘以在頻率ω0上的復(fù)共軛混頻信號(hào)的虛部。為了沿正確的方向?qū)︻l率ω0上的脈沖信號(hào)的頻率分量進(jìn)行移位，必須以復(fù)數(shù)形式進(jìn)行脈沖信號(hào)乘以混頻信號(hào)的乘法。脈沖信號(hào)y(t)是實(shí)信號(hào)，而可以e+jω0t的形式來(lái)表示復(fù)共軛混頻信號(hào)。由此，復(fù)數(shù)乘法產(chǎn)生具有實(shí)部y(t)·cos(ω0t)和虛部y(t)·sin(ω0t)的復(fù)反饋信號(hào)。
優(yōu)選地，脈沖調(diào)制器以比混頻頻率ω0高2至1000倍的采樣頻率ωA來(lái)操作。為了滿足上混頻信號(hào)的奈奎斯特條件，這是必要的。
根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，借助于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)而實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制器?？山柚谛盘?hào)處理例程來(lái)對(duì)脈沖調(diào)制器的操作所需的所有操作進(jìn)行編程。
用于微機(jī)械(micromechanical)諧振器的根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)電路具有至少一個(gè)上述類型的脈沖調(diào)制器。優(yōu)選地，由至少一個(gè)脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)用于諧振器的靜電振蕩激勵(lì)。可將所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)直接連接到諧振器的激勵(lì)電極。在此情況下，有利的是，脈沖調(diào)制器的混頻頻率ω0對(duì)應(yīng)于諧振器的一個(gè)諧振頻率，那么，因此確保振蕩器的有效激勵(lì)。
用于合成在預(yù)定頻率上并具有預(yù)定相位的脈沖信號(hào)的根據(jù)本發(fā)明的頻率生成器具有至少一個(gè)上述類型的脈沖調(diào)制器?？墒褂酶鶕?jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器來(lái)產(chǎn)生在預(yù)定頻率上并具有預(yù)定相位的對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)y(t)。在此情況下，可通過(guò)輸入信號(hào)x(t)的實(shí)部和虛部的比，而非常精確地預(yù)先確定所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的相角。所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)在ω0附近具有低噪聲電平。
根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，脈沖調(diào)制器后跟隨有帶通濾波器，優(yōu)選是晶體或陶瓷濾波器。這種下游帶通濾波器允許遠(yuǎn)離ω0且噪聲電平較高的那些頻率分量被濾除。


通過(guò)參照以示范實(shí)施例的形式的附圖，在下面的文本中將更為詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明以及進(jìn)一步的有利細(xì)節(jié)，并且，附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器的復(fù)數(shù)方框圖；圖2示出了分開(kāi)示出同相路徑和正交路徑的脈沖調(diào)制器的方框圖；圖3示出了三進(jìn)制量化的脈沖信號(hào)y(t)；
圖4示出了在量化器的輸出端產(chǎn)生的脈沖信號(hào)y(t)的頻譜；圖5示出了在由微機(jī)械振蕩器進(jìn)行濾波之后從圖4得到的頻譜；圖6示出了已對(duì)于混頻頻率對(duì)采樣頻率的比ω0/ωA＝0.25而繪出的脈沖信號(hào)y(t)的頻譜；圖7示出了具有統(tǒng)計(jì)舍入的脈沖調(diào)制器；圖8示出了通過(guò)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)舍入而從圖6得到的頻譜；以及圖9示出了二維脈沖調(diào)制器的方框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1以復(fù)數(shù)形式示出了根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器的方框圖。復(fù)輸入信號(hào)x(t)具有均被表示為數(shù)字值的實(shí)部和虛部。在加法節(jié)點(diǎn)1中，從復(fù)輸入信號(hào)x(t)中減去復(fù)反饋信號(hào)2，同時(shí)這兩個(gè)復(fù)信號(hào)之間的差表示控制誤差。此外，在加法節(jié)點(diǎn)1中，將延遲元件3的內(nèi)容(同樣是復(fù)數(shù))加到此差值上。經(jīng)由信號(hào)線4而將延遲元件3的內(nèi)容傳遞到加法節(jié)點(diǎn)1。延遲元件3連同信號(hào)線4一起形成對(duì)復(fù)控制誤差(也就是說(shuō)，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的差)進(jìn)行積分的復(fù)積分器級(jí)。在放大器級(jí)6中，積分信號(hào)5被放大“a”倍，并且放大信號(hào)7被傳遞到第一乘法級(jí)8，其中，放大信號(hào)7以此方式依次乘以復(fù)混頻信號(hào)e-jω0t，以得到上混頻到頻率ω0的信號(hào)9。塊10確定復(fù)上混頻信號(hào)9的實(shí)部，并且使以此方式得到的上混頻信號(hào)的實(shí)部11可用于量化器12。
在圖1中示出的實(shí)施例中，量化器12是三進(jìn)制量化器的形式，其借助比較器而將各個(gè)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為三個(gè)可能值-1、0、+1的脈沖信號(hào)?？稍诹炕?2的輸出端抽出以此方式產(chǎn)生的量化的脈沖信號(hào)y(t)。在第二乘法級(jí)13中，將實(shí)脈沖信號(hào)y(t)乘以復(fù)共軛混頻信號(hào)e-jω0t，以便產(chǎn)生復(fù)反饋信號(hào)2。將通過(guò)對(duì)實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)進(jìn)行相乘而以此方式得到的復(fù)反饋信號(hào)2傳遞到該電路的輸入端的加法節(jié)點(diǎn)1。
可通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)或通過(guò)為此目的而特別提供的硬件，而實(shí)現(xiàn)在圖1中圖解的功能單元序列。在此情況中，必須在顯著高于復(fù)混頻信號(hào)的頻率ω0的采樣頻率ωA上進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。例如，可使用混頻頻率ω0的2至1000倍作為采樣頻率ωA。
圖2再次示出了圖1中圖解的脈沖調(diào)制器，其中分開(kāi)示出了在此情況中的同相信號(hào)路徑和正交信號(hào)路徑。圖2的上半部示出了同相信號(hào)路徑14，其處理輸入信號(hào)x(t)的實(shí)部R。圖2的下半部示出了正交信號(hào)路徑15，其處理輸入信號(hào)的虛部I。在同相路徑中的加法節(jié)點(diǎn)16中，控制誤差的實(shí)部被確定為輸入信號(hào)的實(shí)部R和反饋信號(hào)的實(shí)部17之間的差。將延遲元件18中直到此時(shí)已存儲(chǔ)的積分器值加到此控制誤差上，并將其經(jīng)由信號(hào)線19而傳遞到加法節(jié)點(diǎn)16。延遲元件18連同信號(hào)線19一起形成具有傳輸函數(shù)H(z)=11-z-1]]>的積分器。將控制誤差的實(shí)部加到先前的積分器值產(chǎn)生新的積分器值，再次將其存儲(chǔ)在延遲元件18中。由放大器21將同相信號(hào)路徑中的積分信號(hào)20按比例放大“a”倍，并將其作為放大信號(hào)22而傳遞到第一乘法器23。第一乘法器23將實(shí)放大信號(hào)22乘以實(shí)信號(hào)cos(ω0t)，也就是說(shuō)，乘以e-jω0t的實(shí)部。第一乘法器23確定乘積R·cos(ω0t)，將其作為信號(hào)24而提供到加法器25。
脈沖調(diào)制器的正交信號(hào)路徑15具有加法節(jié)點(diǎn)26，其中，計(jì)算輸入信號(hào)的虛部I和反饋信號(hào)的虛部27之間的差。將與控制誤差的虛部相對(duì)應(yīng)的此差值加到經(jīng)由信號(hào)線29而傳遞到加法節(jié)點(diǎn)26的延遲元件28的先前內(nèi)容。將作為先前值和控制誤差的虛部的和而得到的新值寫入到延遲元件28。延遲元件28和信號(hào)線29一起形成具有傳輸函數(shù)H(z)=11-z-1]]>的積分器。在此積分器的輸出端產(chǎn)生來(lái)自正交信號(hào)路徑的積分信號(hào)30，并由放大器31將該積分信號(hào)30按比例放大“a”倍。隨后，在第二乘法器33中，將在正交信號(hào)路徑中以此方式得到的放大信號(hào)32乘以信號(hào)sin(ω0t)。將以此方式得到的乘積I·sin(ω0t)作為信號(hào)34而提供到加法器25。加法器25將信號(hào)R·cos(ω0t)與I·sin(ω0t)相加，并在其輸出端產(chǎn)生信號(hào)R·cos(ω0t)+I·sin(ω0t)作為信號(hào)35。然而，此信號(hào)35精確地對(duì)應(yīng)于上混頻信號(hào)的實(shí)部，這是因?yàn)閤(t)和e-jω0t的復(fù)數(shù)乘法給出x(t)·e-jω0t=]]>＝(R+j·I)·(cos(ω0t)-j·sin(ω0t))＝＝[R·cos(ω0t)+I·sin(ω0t)]+j·[I·cos(ω0t)-R·sin(ω0t)]并且，此信號(hào)的實(shí)部為R·cos(ω0t)+I·sin(ω0t)。由此，信號(hào)35表示復(fù)上混頻信號(hào)的實(shí)部，并且，在這種程度上說(shuō)，對(duì)應(yīng)于圖1中圖解的信號(hào)11。
將數(shù)字實(shí)信號(hào)35傳遞到量化器36，其將此輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為量化脈沖信號(hào)y(t)。圖1和圖2的例子中示出的三級(jí)(三進(jìn)制)量化器基于y(t)∈{-1；0；+1}而對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行量化。為此目的，量化器36具有比較器，其將信號(hào)35的信號(hào)電平不斷地與預(yù)定閾值相比較。取決于這些比較的結(jié)果，在每種情況中給輸出信號(hào)y(t)分配值-1、0、+1中的一個(gè)，作為當(dāng)前信號(hào)值。除了三級(jí)(三進(jìn)制)量化之外，可取決于目的而使用任意其它期望的量化，例如，二級(jí)(二進(jìn)制)或多級(jí)量化。
從量化脈沖信號(hào)y(t)中導(dǎo)出復(fù)反饋信號(hào)的實(shí)部17和虛部27。為此目的，將脈沖信號(hào)y(t)乘以復(fù)共軛混頻信號(hào)e+jω0ty(t)·ejω0t=y(t)·cos(ω0t)+j·y(t)·sin(ω0t)]]>由將脈沖信號(hào)y(t)乘以cos(ω0t)的第三乘法器37產(chǎn)生復(fù)反饋信號(hào)的實(shí)部y(t)·cos(ω0t)。由此，在第三乘法器37的輸出端產(chǎn)生反饋信號(hào)的實(shí)部17，并將其反饋到加法節(jié)點(diǎn)16。為了產(chǎn)生復(fù)反饋信號(hào)的虛部y(t)·sin(ω0t)，在第四乘法器38中，將脈沖信號(hào)y(t)乘以sin(ω0t)。在第四乘法器38的輸出端產(chǎn)生反饋信號(hào)的虛部27，并將其反饋到加法節(jié)點(diǎn)26。
在圖1和2中示出的示范實(shí)施例中，在輸入側(cè)提供積分器，其對(duì)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的控制誤差進(jìn)行積分，并由此產(chǎn)生積分信號(hào)。積分器的傳輸函數(shù)H(z)可被寫為H(z)=11-z-1]]>。還可在輸入側(cè)上使用具有其它傳輸函數(shù)H(z)的其它信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)來(lái)替代所述積分器。例如，可在該情況中使用更高階的傳輸函數(shù)H(z)，然而limz→1.H(z)=∞]]>由此，對(duì)于頻率ω趨向值0(z→1)的情形，傳輸函數(shù)H(z)應(yīng)趨向無(wú)窮大?？墒褂肏(z)的附加自由參數(shù)來(lái)優(yōu)化調(diào)制器或整個(gè)系統(tǒng)的特定特性(例如，信噪比)。
圖3示出了對(duì)于借助計(jì)算機(jī)仿真而確定的具有y(t)∈{-1；0；+1}的三進(jìn)制量化的情形，可在量化器的輸出端抽出的脈沖信號(hào)y(t)的波形。在此情況中，復(fù)輸入信號(hào)的實(shí)部R被設(shè)為0.3，而輸入信號(hào)的虛部I被設(shè)為等于0。由此，輸入信號(hào)x(t)恒定，并且不隨著時(shí)間函數(shù)而變化。采樣頻率ωA是混頻頻率ω0的5倍大，即ω0/ωA＝0.2。在橫坐標(biāo)上示出了采樣頻率ωA上的時(shí)鐘脈沖，并且，將所述時(shí)鐘脈沖從5000到5100連續(xù)編號(hào)。在每個(gè)時(shí)鐘周期期間，脈沖信號(hào)y(t)呈現(xiàn)三個(gè)可能值-1、0、+1中的一個(gè)。沿縱坐標(biāo)的方向繪出了在采樣頻率上的一個(gè)特定時(shí)鐘周期期間的y(t)的各個(gè)值。
如果對(duì)圖3中圖解的脈沖信號(hào)進(jìn)行譜分析(FFT)，則這產(chǎn)生圖4中示出的頻譜。在橫坐標(biāo)上的任意FFT單元中示出了各個(gè)譜分量的頻率，而沿縱坐標(biāo)的方向以dB為單位繪出了信號(hào)強(qiáng)度?？稍谧V分布中的頻率ω0上看到峰值。還可看出，頻率ω0附近的噪聲電平顯著小于頻譜的剩余部分中的噪聲電平。在傳統(tǒng)的sigma-delta調(diào)制器中，相反，噪聲電平會(huì)在低頻處(也就是說(shuō)，在頻率ω0的附近)顯著減小。在根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器的情況中，通過(guò)復(fù)數(shù)乘法，而將經(jīng)過(guò)積分和放大的信號(hào)上混頻到混頻頻率ω0。由此，減小噪聲的頻譜范圍也朝向混頻頻率ω0而偏移，由此，產(chǎn)生圖4中圖解的噪聲特性。
根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器可用于脈沖信號(hào)的數(shù)字合成，在該情況中，可通過(guò)混頻頻率ω0而預(yù)先確定脈沖信號(hào)的主頻譜分量。可通過(guò)輸入信號(hào)的實(shí)部對(duì)虛部的比，而確切地設(shè)置所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的相角，并且，這產(chǎn)生相位穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。當(dāng)使用根據(jù)本發(fā)明的用于頻率合成的脈沖調(diào)制器時(shí)，應(yīng)通過(guò)其通頻帶以頻率ω0為中心的電子帶通濾波器來(lái)對(duì)脈沖信號(hào)y(t)進(jìn)行濾波。例如，可為晶體或陶瓷濾波器的形式的帶通濾波器使得有可能抑制其中噪聲電平不希望地高的遠(yuǎn)離ω0的頻譜范圍。例如這種帶通濾波器的帶通濾波器使得有可能顯著改善信噪比。
尤其是，根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器適于電機(jī)振蕩器的激勵(lì)，以進(jìn)行諧波振蕩。特別地，可借助于施加到微機(jī)械諧振器的激勵(lì)電極的三進(jìn)制量化的脈沖信號(hào)，而產(chǎn)生振蕩激勵(lì)所需的靜電力。在此情況下，脈沖信號(hào)y(t)的頻率ω0最好被選為等于微機(jī)械振蕩器的諧振頻率。如果圖3和圖4中圖解的脈沖信號(hào)用于其諧振頻率對(duì)應(yīng)于激勵(lì)頻率ω0的高Q因子振蕩器(例如，具有Q因子104)的諧波激勵(lì)，那么，由振蕩器自身來(lái)濾除量化噪聲的大部分。特別地，由振蕩器自身抑制遠(yuǎn)離諧振頻率ω0的頻譜范圍中的量化噪聲。圖5中示出了以此方式得到的濾波后的頻譜。
存在頻率的特定比ω0/ωA，用于將y(t)中的類噪聲(noise-like)量化乘積轉(zhuǎn)換為一系列或大或小的周期性函數(shù)。作為一個(gè)例子，圖6示出了對(duì)于比ω0/ωA＝0.25而得到的頻譜。除了頻率ω0處的峰值之外，可看到譜線39、40、41等的范圍。形成這些譜線的原因在于量化器是控制環(huán)路中的高度非線性的元件，這是因?yàn)槠渫ㄟ^(guò)特定頻率比而激勵(lì)控制環(huán)路中的張弛振蕩?？蓮膫鹘y(tǒng)的delta-sigma轉(zhuǎn)換器中知曉此控制環(huán)路響應(yīng)。
為了防止形成張弛振蕩，可通過(guò)將噪聲信號(hào)加到至量化器的輸入信號(hào)，而改善量化器的中央線性。為此目的，最好使用譜均勻分布的噪聲信號(hào)。圖7示出了被相應(yīng)修改的脈沖調(diào)制器的方框圖。與圖2中示出的方框圖相比，圖7中示出的脈沖調(diào)制器附加地具有噪聲生成器42，其產(chǎn)生噪聲信號(hào)43。另外，以一般形式而將圖2中示出的積分器圖解為具有傳輸函數(shù)H(z)的信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)44、45。此外，圖7中示出的組件對(duì)應(yīng)于圖2的方框圖中的元件。將噪聲信號(hào)43提供到加法器25，其中將其加到信號(hào)24和34上。因此，量化器36的輸入端的信號(hào)35具有疊加在其上的噪聲信號(hào)，并且，最后，這導(dǎo)致量化過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)舍入。圖8示出了借助于如圖7所示的脈沖調(diào)制器而產(chǎn)生的脈沖信號(hào)y(t)的頻譜。盡管頻率比ω0/ωA再次等于0.25，但不形成張弛振蕩。
特別地，根據(jù)本發(fā)明的脈沖調(diào)制器可用于微機(jī)械振蕩器的靜電激勵(lì)。為此目的，作為例子，可將圖3中示出的這類三進(jìn)制量化的脈沖信號(hào)連接到微機(jī)械諧振器的激勵(lì)電極。圖3中示出的脈沖信號(hào)表示頻率ω0的正弦信號(hào)。由此，可使用例如這種脈沖信號(hào)的脈沖信號(hào)來(lái)激勵(lì)微機(jī)械諧振器，以進(jìn)行頻率ω0的諧波振蕩，以使得特別是在脈沖信號(hào)的頻率ω0至少近似對(duì)應(yīng)于振蕩器的諧振頻率時(shí)，其變得精確。
在轉(zhuǎn)速傳感器和科里奧利陀螺儀中使用可沿兩個(gè)相互正交的方向y1和y2振蕩的諧振器。圖9中示出的二維脈沖調(diào)制器可用于具有兩個(gè)自由度的諧振器的靜電激勵(lì)。該二維脈沖調(diào)制器具有第一脈沖調(diào)制器46，其根據(jù)復(fù)輸入信號(hào)R1、I1而產(chǎn)生脈沖信號(hào)y1(t)，并且使用此脈沖信號(hào)來(lái)沿y1方向而激勵(lì)諧振器。第二脈沖調(diào)制器47根據(jù)復(fù)輸入信號(hào)R2、I2而產(chǎn)生脈沖信號(hào)y2(t)，并且使用此脈沖信號(hào)來(lái)沿y2方向而激勵(lì)振蕩器振蕩。第一脈沖調(diào)制器46和第二脈沖調(diào)制器47兩者是如圖7所示的具有統(tǒng)計(jì)舍入的脈沖調(diào)制器的形式。因此，可在涉及圖2和7的圖的描述中找到第一和第二脈沖調(diào)制器46、47的設(shè)計(jì)和操作方法的描述。然而，圖9中示出的二維脈沖調(diào)制器具有一個(gè)2D量化器48，其由兩個(gè)通道共享，并將第一脈沖調(diào)制器46的信號(hào)49轉(zhuǎn)換為量化脈沖信號(hào)y1(t)，并將第二脈沖調(diào)制器47的信號(hào)50變換為量化脈沖信號(hào)y2(t)。由兩個(gè)通道共享的2D量化器48的使用使得有可能在對(duì)信號(hào)49、50進(jìn)行量化的期間考慮作為微機(jī)械傳感器的操作的優(yōu)點(diǎn)的附加條件。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)這樣的附加條件是在每一情況下，所述通道中的僅一個(gè)才可產(chǎn)生除了0之外的脈沖。另一個(gè)可行的附加條件是輸出信號(hào)y1(t)、y2(t)中的僅一個(gè)才可在任意給定時(shí)刻在每一情況下改變。在以和形式測(cè)量施加到雙諧振器的電極的位移電流以便可推導(dǎo)出振蕩器的偏轉(zhuǎn)(deflection)時(shí)，例如這些附加條件的附加條件可能是值得的。附加條件使得有可能明確地將位移電流與一個(gè)特定電極相關(guān)聯(lián)。這使得有可能進(jìn)行由振蕩器的y1偏轉(zhuǎn)和y2偏轉(zhuǎn)引起的信號(hào)之間的信號(hào)分離。
權(quán)利要求
1.一種用于將復(fù)輸入信號(hào)(x(t))轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)(y(t))的脈沖調(diào)制器，其特征在于包括-減法級(jí)(1)，其根據(jù)復(fù)輸入信號(hào)(x(t))和反饋信號(hào)(2)之間的差而產(chǎn)生控制誤差信號(hào)，-信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)，其將控制誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)(7)；-第一乘法級(jí)(8)，其將控制信號(hào)(7)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)，并由此產(chǎn)生已通過(guò)ω0而被上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部(11)和虛部中的至少一個(gè)；-量化級(jí)(12)，其對(duì)已通過(guò)ω0而被上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部和虛部中的至少一個(gè)進(jìn)行量化，并由此產(chǎn)生脈沖信號(hào)(y(t))；-反饋單元，其使用該脈沖信號(hào)(y(t))來(lái)產(chǎn)生用于減法級(jí)的反饋信號(hào)(2)。
2.如權(quán)利要求1所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該脈沖調(diào)制器具有用于處理輸入信號(hào)的實(shí)部的同相信號(hào)路徑、以及用于處理輸入信號(hào)的虛部的正交信號(hào)路徑。
3.如權(quán)利要求1或2所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于所述控制誤差信號(hào)、控制信號(hào)以及反饋信號(hào)分別是各自具有實(shí)信號(hào)分量以及虛信號(hào)分量的復(fù)信號(hào)。
4.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)具有積分器級(jí)，其對(duì)控制誤差信號(hào)進(jìn)行積分，并產(chǎn)生作為控制信號(hào)的積分信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該積分器級(jí)具有用于同相信號(hào)路徑(14)的第一積分器、以及用于正交信號(hào)路徑(15)的第二積分器，其中第一積分器對(duì)控制誤差信號(hào)的實(shí)部進(jìn)行積分，而第二積分器對(duì)控制誤差信號(hào)的虛部進(jìn)行積分。
6.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)具有放大器級(jí)(6)。
7.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該第一乘法級(jí)具有用于同相信號(hào)路徑的第一乘法器(23)、以及用于正交信號(hào)路徑的第二乘法器(33)，其中第一乘法器將控制信號(hào)的實(shí)部(22)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)的實(shí)部，并由此產(chǎn)生第一結(jié)果信號(hào)(24)，而第二乘法器(33)將控制信號(hào)的虛部(32)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)的虛部，并由此產(chǎn)生第二結(jié)果信號(hào)(34)。
8.如權(quán)利要求7所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于加法器(25)，其將來(lái)自第一乘法器的第一結(jié)果信號(hào)(24)與來(lái)自第二乘法器的第二結(jié)果信號(hào)(34)相加，以形成和信號(hào)(35)，以便確定上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部。
9.如權(quán)利要求8所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該量化級(jí)對(duì)由加法器產(chǎn)生的和信號(hào)進(jìn)行量化。
10.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于將噪聲電平加到至量化級(jí)的輸入信號(hào)上。
11.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該量化級(jí)對(duì)其各個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制量化或三進(jìn)制量化。
12.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該反饋單元具有第二乘法級(jí)(13)，其將脈沖信號(hào)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)共軛混頻信號(hào)，并由此產(chǎn)生通過(guò)ω0而被下混頻的反饋信號(hào)(2)，用于減法器。
13.如權(quán)利要求12所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該第二乘法級(jí)具有用于產(chǎn)生反饋信號(hào)的實(shí)部(17)的第三乘法器(37)，并具有用于產(chǎn)生反饋信號(hào)的虛部(27)的第四乘法器(38)，其中第三乘法器(37)將脈沖信號(hào)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)共軛混頻信號(hào)的實(shí)部，而第四乘法器(38)將脈沖信號(hào)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)共軛混頻信號(hào)的虛部。
14.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于該脈沖調(diào)制器以比混頻頻率ω0高2至1000倍的采樣頻率ωA來(lái)操作。
15.如前述權(quán)利要求中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器，其特征在于借助于數(shù)字信號(hào)處理器而實(shí)現(xiàn)該脈沖調(diào)制器。
16.一種用于具有至少一個(gè)如權(quán)利要求1至15中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器的微機(jī)械諧振器的驅(qū)動(dòng)電路。
17.如權(quán)利要求16所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于由至少一個(gè)脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)用于諧振器的靜電振蕩激勵(lì)。
18.如權(quán)利要求16或17所述的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于該脈沖調(diào)制器的混頻頻率ω0對(duì)應(yīng)于諧振器的一個(gè)諧振頻率。
19.一種頻率生成器，用于合成在預(yù)定頻率上并具有預(yù)定相位的脈沖信號(hào)，該頻率生成器具有至少一個(gè)如權(quán)利要求1至15中的一個(gè)所述的脈沖調(diào)制器。
20.如權(quán)利要求19或20所述的頻率生成器，其特征在于該脈沖調(diào)制器后跟隨有帶通濾波器，其優(yōu)選是晶體或陶瓷濾波器。
21.一種用于對(duì)復(fù)輸入信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制的方法，其特征在于包括以下步驟-根據(jù)復(fù)輸入信號(hào)(x(t))和反饋信號(hào)(2)之間的差而產(chǎn)生控制誤差信號(hào)；-將該控制誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)(7)；-將控制信號(hào)(7)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)，并產(chǎn)生已通過(guò)ω0而被上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部(11)和虛部中的至少一個(gè)；-對(duì)已通過(guò)ω0而被上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部(11)和虛部中的至少一個(gè)進(jìn)行量化，以便產(chǎn)生脈沖信號(hào)(y(t))；-從該脈沖信號(hào)(y(t))產(chǎn)生反饋信號(hào)(2)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述控制誤差信號(hào)、控制信號(hào)以及反饋信號(hào)分別是各自具有實(shí)信號(hào)分量以及虛信號(hào)分量的復(fù)信號(hào)。
23.如權(quán)利要求21或權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于通過(guò)對(duì)控制誤差信號(hào)進(jìn)行積分，而將控制誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)。
24.如權(quán)利要求21至23中的一個(gè)所述的方法，其特征在于將控制信號(hào)的實(shí)部乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)的實(shí)部，并由此產(chǎn)生第一結(jié)果信號(hào)，而將控制信號(hào)的虛部乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)混頻信號(hào)的虛部，并由此產(chǎn)生第二結(jié)果信號(hào)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于將第一結(jié)果信號(hào)與第二結(jié)果信號(hào)相加，以形成和信號(hào)，以便確定上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于對(duì)所述和信號(hào)進(jìn)行量化，以便產(chǎn)生脈沖信號(hào)。
27.如權(quán)利要求21至26中的一個(gè)所述的方法，其特征在于在對(duì)通過(guò)ω0而被上混頻的控制信號(hào)的實(shí)部和虛部中的至少一個(gè)進(jìn)行量化之前，加入噪聲電平。
28.如權(quán)利要求21至27中的一個(gè)所述的方法，其特征在于通過(guò)將脈沖信號(hào)乘以在頻率ω0上振蕩的復(fù)共軛混頻信號(hào)，而產(chǎn)生反饋信號(hào)。
29.如權(quán)利要求21至28中的一個(gè)所述的方法，其特征在于該脈沖信號(hào)用于微機(jī)械諧振器的靜電振蕩激勵(lì)。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于該混頻頻率ω0對(duì)應(yīng)于微機(jī)械諧振器的一個(gè)諧振頻率。
31.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其具有用于在計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器等上進(jìn)行如權(quán)利要求21至30中的一個(gè)所述的方法步驟的部件。
全文摘要
公開(kāi)了一種脈沖調(diào)制器，包括減法級(jí)，其根據(jù)復(fù)輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的差而產(chǎn)生偏差信號(hào)；以及信號(hào)轉(zhuǎn)換級(jí)，其將該偏差信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)。在第一乘法級(jí)中，將該控制信號(hào)乘以具有頻率ω
文檔編號(hào)H03K7/00GK1774867SQ200480010151
公開(kāi)日2006年5月17日 申請(qǐng)日期2004年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月8日
發(fā)明者岡特·斯帕林格 申請(qǐng)人:利特夫有限責(zé)任公司