專利名稱：包括用于消除空閑音的抖動能力的△-σ調(diào)制器和抖動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Δ-Σ調(diào)制器，且更具體地涉及包括用于消除空閑音(idle tone)的 抖動能力的Δ-Σ調(diào)制器和抖動方法。
背景技術(shù)：
Δ - Σ調(diào)制器包含數(shù)字化模擬輸入的電子裝置或電路且包含廣泛使用的模擬-數(shù) 字轉(zhuǎn)換器(ADC)。圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Δ-Σ調(diào)制器。現(xiàn)有技術(shù)的Δ-Σ調(diào)制器包括 模擬輸入處的積分器且積分器的輸出饋送到位流處理器中。位流處理器接收模擬輸入且產(chǎn) 生對應(yīng)的(串行)數(shù)字輸出位流。位流處理器的輸出包含Δ - Σ調(diào)制器的數(shù)字輸出?，F(xiàn)有技術(shù)的Δ-Σ調(diào)制器的常見且已知的缺點在于輸出典型地包括多余噪聲。因 此，現(xiàn)有技術(shù)的Δ-Σ調(diào)制器包括反饋到輸入中的抖動信號以便至少稍微隨機化模擬輸入 信號。抖動信號可以具有低幅度，使得抖動僅在低輸入信號幅度或空閑時間有效。現(xiàn)有技術(shù)的Δ-Σ調(diào)制器的一個缺點在于當輸入空閑時可能產(chǎn)生錯誤輸出，包 括當模擬輸入包含直流(DC)值或信號時產(chǎn)生的空閑音。在這種周期性期間，現(xiàn)有技術(shù)的 Δ-Σ調(diào)制器的輸出產(chǎn)生包括輸出中的噪聲尖峰的空閑音。這些噪聲尖峰可能被錯誤地解 讀成數(shù)字值?，F(xiàn)有技術(shù)的另一缺點在于抖動總是被執(zhí)行且而不是按需被激活。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面中，包括用于消除空閑音的抖動能力的Δ-Σ調(diào)制器包含 位流轉(zhuǎn)換器，配置成產(chǎn)生基本對應(yīng)于模擬信號輸入的數(shù)字信號輸出；
周期性檢測器，耦合到位流轉(zhuǎn)換器且配置成檢測數(shù)字信號輸出中的周期性； 抖動序列產(chǎn)生器，連接到周期性檢測器且在檢測到周期性時由周期性檢測器激活，其 中抖動序列產(chǎn)生器產(chǎn)生抖動序列；以及
脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器，耦合到抖動序列產(chǎn)生器且接收抖動序列，其中PWM產(chǎn)生器 將抖動序列作為抖動信號調(diào)制到Δ-Σ調(diào)制器的模擬信號輸入上。優(yōu)選地，抖動序列產(chǎn)生器產(chǎn)生基本隨機的抖動序列。優(yōu)選地，Δ-Σ調(diào)制器還包含積分器，該積分器配置成將模擬信號輸入和抖動信 號輸入到位流轉(zhuǎn)換器中。優(yōu)選地，周期性檢測器將數(shù)字信號輸出的采樣窗口與一個或多個預定模式進行比 較，且如果采樣窗口與一個或多個預定模式中的至少一個模式匹配，則檢測到周期性。優(yōu)選地，周期性檢測器利用一個或多個預定掩模(mask)來屏蔽數(shù)字信號輸出的一 個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個被屏蔽部分且將一個或多個被屏蔽部分的剩余數(shù)字內(nèi)容 與預定屏蔽閾值進行比較，其中如果剩余數(shù)字內(nèi)容超過預定屏蔽閾值，則檢測到周期性。優(yōu)選地，周期性檢測器過濾數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個過濾部分，處理該一個或多個過濾部分以確定諧波的存在，且將諧波與預定諧波閾值進行比 較，其中如果諧波超過預定諧波閾值，則檢測到周期性。優(yōu)選地，周期性檢測器梳狀過濾數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多 個梳狀過濾部分，處理該一個或多個梳狀過濾部分以確定諧波的存在，且將諧波與預定諧 波閾值進行比較，其中如果諧波超過預定諧波閾值，則檢測到周期性。在本發(fā)明的一個方面中，包括用于消除空閑音的抖動能力的Δ-Σ調(diào)制器抖動方 法包含
檢測Δ-Σ調(diào)制器的數(shù)字信號輸出中的周期性；
在檢測到周期性時的周期期間激活引導到Δ-Σ調(diào)制器的輸入上的抖動信號； 產(chǎn)生基本隨機的序列作為抖動序列；以及
將抖動序列作為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的數(shù)字抖動信號調(diào)制到Δ-Σ調(diào)制器的輸入上， 其中在檢測到周期性時的周期期間激活所述產(chǎn)生和調(diào)制。優(yōu)選地，檢測周期性還包含將數(shù)字信號輸出的采樣窗口與一個或多個預定模式進 行比較，且如果采樣窗口與一個或多個預定模式中的至少一個模式匹配，則檢測到周期性。優(yōu)選地，檢測周期性還包含利用一個或多個預定掩模來屏蔽數(shù)字信號輸出的一 個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個被屏蔽部分；以及將一個或多個被屏蔽部分的剩余數(shù)字內(nèi) 容與預定屏蔽閾值進行比較，其中如果剩余數(shù)字內(nèi)容超過預定屏蔽閾值，則檢測到周期性。優(yōu)選地，檢測周期性還包含過濾數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或 多個過濾部分；處理該一個或多個過濾部分以確定諧波的存在；以及將諧波與預定諧波閾 值進行比較，其中如果諧波超過預定諧波閾值，則檢測到周期性。優(yōu)選地，檢測周期性還包含梳狀過濾數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一 個或多個梳狀過濾部分；處理該一個或多個梳狀過濾部分以確定諧波的存在；以及將諧波 與預定諧波閾值進行比較，其中如果諧波超過預定諧波閾值，則檢測到周期性。


在所有的附圖中，相同的附圖標號表示相同的元件。應(yīng)當理解，附圖不必按比例繪 制。圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的Δ -Σ調(diào)制器。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的Δ -Σ調(diào)制器。圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有和不具有抖動的Δ-Σ輸出的圖表。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的Δ -Σ調(diào)制器抖動方法的流程圖。
具體實施例方式圖2-4以及以下描述示出具體示例以教導本領(lǐng)域的技術(shù)人員如何獲得并使用本 發(fā)明的最佳模式。為了教導發(fā)明原理的目的，一些常規(guī)方面已被簡化或省略。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員將明白這些示例的變型落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白下面描述的 特征可以以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個變型。因此，本發(fā)明不限于下面描述的具體 示例，而是僅由權(quán)利要求及其等價物限制。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的Δ -Σ調(diào)制器100。Δ-Σ調(diào)制器100包含能夠?qū)⒛M電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的串行數(shù)字表示的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)。Δ-Σ調(diào)制器100包括連接到積分器104的處理器105。積分器104包括接收模 擬輸入信號以轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出的模擬輸入101。在一些實施例中，積分器104可以包括 多個狀態(tài)(即，階)。例如，積分器104可以包含兩個積分器，其中Δ-Σ調(diào)制器100包含二 階調(diào)制器。然而，應(yīng)當理解，Δ-Σ調(diào)制器100可以包含任意階的調(diào)制器。處理器105還包 括可以連接到任意方式的其他裝置的數(shù)字輸出123以及耦合到積分器104的反饋路徑126。 反饋路徑1 將來自位流轉(zhuǎn)換器107的數(shù)字信號輸出反饋到位流轉(zhuǎn)換器107的輸入中。反饋路徑1 還將抖動信號反饋到積分器104，且積分器104將抖動信號與模擬輸 入信號組合。抖動信號包含有意施加的基本隨機的信號，其用來隨機化或最小化A/D轉(zhuǎn)換 的輸出中存在的空閑音/周期性。處理器105可以實施執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換的過程。過程包括位流轉(zhuǎn)換器107、周期性檢測 器111、抖動序列產(chǎn)生器116以及脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器119。處理器105可以包含通 用計算機、微處理系統(tǒng)、邏輯電路或者專用集成電路、或者一些其他通用或定制處理裝置。 處理器105可以包括一個或多個處理裝置。處理器105可以包括任意方式的整體或獨立的 電子存儲介質(zhì)。然而，應(yīng)當理解，處理器105可選地可以被設(shè)計為執(zhí)行所述過程的分立電路 代替或者包括所述分立電路。位流轉(zhuǎn)換器107接收模擬輸入信號加上任意疊加的抖動信號。位流轉(zhuǎn)換器107執(zhí) 行A/D轉(zhuǎn)換且在數(shù)字輸出123產(chǎn)生串行數(shù)字位流。串行數(shù)字位流包含模擬輸入101處的模 擬信號的數(shù)字表示。另外，位流轉(zhuǎn)換器107耦合到周期性檢測器111。位流轉(zhuǎn)換器107的數(shù)字輸出用來 檢測周期性。此外，位流轉(zhuǎn)換器107還耦合到PWM產(chǎn)生器119。串行數(shù)字位流提供用來控制或設(shè)置來自PWM產(chǎn)生器119的PWM輸出的增益因子。 位流轉(zhuǎn)換器107可以向PWM產(chǎn)生器119提供增益因子而無需任意外部增益設(shè)置或增益確定 外部元件(即，電阻器和電容器)，因為外部元件可能引入溫度漂移或其他噪聲。周期性檢測器111耦合到位流轉(zhuǎn)換器107和到抖動序列產(chǎn)生器116。周期性檢測 器111配置成檢測Δ-Σ調(diào)制器100的數(shù)字位流輸出中的周期性。當周期性檢測器111檢 測到數(shù)字位流輸出中的周期性時，周期性檢測器111可以改變其輸出值且可以對應(yīng)地激活 或者去激活抖動序列產(chǎn)生器116。周期性檢測器111激活和去激活抖動序列產(chǎn)生器116的 能力使得周期性檢測器111能夠激活和去激活抖動信號。周期性檢測器111可以以各種方式檢測周期性。在一個實施例中，周期性檢測器 111采用表查找。周期性檢測器(111)將數(shù)字信號輸出的采樣窗口與一個或多個預定模 式進行比較且如果采樣窗口與一個或多個預定模式中的至少一個模式匹配，則檢測到周期 性。窗口可以有設(shè)計為捕獲所需周期性的預定尺寸。窗口隨時間移動且迭代地執(zhí)行與表的 重復比較。在一些實施例中，單個表匹配可能足以用于檢測周期性，但是可選地在其他實施 例中，可能需要找到多個匹配。可能需要對找到的表項目執(zhí)行進一步處理。例如，可以對匹配的表項目執(zhí)行某種 方式的平均或積分以便最終確定周期性。在另一實施例中，周期性檢測器111執(zhí)行屏蔽以檢測周期性。周期性檢測器(111) 利用一個或多個預定掩模來屏蔽數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個被屏蔽部分且將一個或多個被屏蔽部分的剩余數(shù)字內(nèi)容與預定屏蔽閾值進行比較，其中如果剩 余數(shù)字內(nèi)容超過預定屏蔽閾值，則檢測到周期性。可選地，可以在多個窗口上執(zhí)行屏蔽。屏 蔽結(jié)果(即任意剩余數(shù)字值)以某種方式諸如通過取結(jié)果的均方根(RMS)值進行平均或求 和，且然后剩余數(shù)字內(nèi)容與預定屏蔽閾值進行比較。如果剩余數(shù)字內(nèi)容超過預定屏蔽閾值， 則周期性檢測器111確定檢測到周期性。在又一實施例中，周期性檢測器111過濾數(shù)字信號輸出以便檢測周期性。例如， 過濾可以針對檢測/量化諧波。周期性檢測器(111)過濾數(shù)字信號輸出的一個或多個部分 以產(chǎn)生一個或多個過濾部分，處理該一個或多個過濾部分以確定諧波的存在，且將諧波與 預定諧波閾值進行比較，其中如果諧波超過預定諧波閾值，則檢測到周期性。在一些實施例 中，該過濾包含數(shù)字梳狀濾波器，該數(shù)字梳狀濾波器特征在于位于Δ - Σ調(diào)制器100的采樣 頻率的預期諧波之間的多個凹口(notch)。諸如通過平均、取RMS值、積分或以其他方式量 化濾波器輸出，梳狀濾波器的輸出可以被隨后處理以確定諧波的存在。應(yīng)當理解，周期性檢測器111不限于執(zhí)行上面檢測類型之一。周期性檢測可以包 括上面檢測方案中的一個或多個。例如，周期性檢測器111可以執(zhí)行過濾且然后可以對過 濾結(jié)果執(zhí)行表查找/模式匹配操作。抖動序列產(chǎn)生器116向PWM產(chǎn)生器119提供抖動序列。抖動序列產(chǎn)生器116由周 期性檢測器111激活和去激活。抖動序列可以包含預定序列。在一些實施例中，抖動序列 產(chǎn)生器116產(chǎn)生基本隨機的抖動序列?？蛇x地，抖動序列產(chǎn)生器116可以實施設(shè)計為具有 低重復水平的一個或多個預定模式。PWM產(chǎn)生器119耦合到抖動序列產(chǎn)生器116且由其控制。PWM抖動的使用實現(xiàn)較 高的抖動頻率。PWM產(chǎn)生器119從抖動序列產(chǎn)生器116接收抖動序列且從其產(chǎn)生PWM抖動 信號。反饋路徑126上的抖動信號的脈沖寬度因此在能含量方面足夠隨機，以打破或者基 本防止數(shù)字輸出123處的空閑音(或其他量化誤差)。在一些實施例中，PWM產(chǎn)生器119可以執(zhí)行修整，減小提供到模擬輸入的抖動/反 饋信號的脈沖寬度。作為修整的結(jié)果，抖動/反饋信號的脈沖比現(xiàn)有技術(shù)中更窄。有利地， 這給出ADC增益。而且，PWM信號的使用產(chǎn)生沒有主頻率反而特征在于寬頻譜的混沌脈沖 流。然而，抖動/反饋信號不包含直流(DC)值。抖動/反饋信號中DC分量的缺少不會使 數(shù)字化結(jié)果的準確度受到影響。圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有和不具有抖動的Δ -Σ輸出的圖表。下曲線包含根據(jù)本 發(fā)明的不具有抖動的輸出。其中的尖峰包含在空閑周期期間在Δ-Σ調(diào)制器輸出處出現(xiàn)的 空閑音。適當?shù)?，在模擬輸入應(yīng)當產(chǎn)生數(shù)字零輸出值的情況下，數(shù)字信號輸出現(xiàn)在包括尖 峰。尖峰可能被后續(xù)電路錯誤地解讀為數(shù)字“1”值。這種噪聲可以破壞對數(shù)字信號輸出執(zhí) 行的或者由數(shù)字信號輸出執(zhí)行的任意進一步測量或動作。如果嚴重，則噪聲可能被輻射且 被甚至不在Δ-Σ調(diào)制器裝置下游的電子部件拾取。圖表中的上曲線包含根據(jù)本發(fā)明的抖動的Δ-Σ調(diào)制器的輸出。上曲線偏離平坦 線，該平坦線將是在Δ-Σ調(diào)制器的模擬輸入基本是靜態(tài)的情況下Δ-Σ調(diào)制器的理想輸 出。然而，抖動的Δ-Σ調(diào)制器不呈現(xiàn)尖峰的電壓幅度且因此不太可能被錯誤地解讀為數(shù) 字1值。尖峰的能量被擴展且致使無害。圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的Δ-Σ調(diào)制器抖動方法的流程圖400。在步驟401中，例如諸如在包括Δ -Σ調(diào)制器的裝置的上電或初始化期間，脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號被 初始化。初始化可以包括初始化起始脈沖寬度、初始化脈沖周期等。在步驟402中，執(zhí)行周期性檢測。周期性檢測可以包括在模擬信號輸入上存在DC 值時的周期期間檢測空閑音。當模擬輸入包含DC值時，產(chǎn)生的位流數(shù)字輸出(和反饋)將通 常包含周期部分?？臻e音被視為數(shù)字輸出中的噪聲尖峰。如先前所討論的，可以通過使用表查找、屏蔽或過濾來檢測周期性。在檢測過程中 可以捕獲和處理(一個或多個)采樣窗口。在步驟403中，如果檢測到周期性，則該方法進行到步驟404。否則，方法分支回到 步驟402且繼續(xù)監(jiān)控周期性。在步驟404中，在數(shù)字輸出中檢測到周期性的情況下，則激活抖動能力。激活可以 包含隨機抖動序列的產(chǎn)生。在步驟405中，隨機抖動序列被調(diào)制到PWM反饋信號上，該PWM反饋信號進而作為 抖動信號被調(diào)制到模擬輸入上。抖動信號的基本隨機的性質(zhì)打破和/或防止Δ-Σ調(diào)制器 的數(shù)字輸出中的周期性和空閑音。
權(quán)利要求
1.一種包括用于消除空閑音的抖動能力的Δ-Σ調(diào)制器(100)，該Δ-Σ調(diào)制器(100) 包含位流轉(zhuǎn)換器(107)，配置成產(chǎn)生基本對應(yīng)于模擬信號輸入的數(shù)字信號輸出；周期性檢測器(111 )，耦合到位流轉(zhuǎn)換器(107)且配置成檢測數(shù)字信號輸出中的周期性；抖動序列產(chǎn)生器(116)，連接到周期性檢測器(111)且在檢測到周期性時由周期性檢 測器(111)激活，其中抖動序列產(chǎn)生器(116)產(chǎn)生抖動序列；以及脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器(119)，耦合到抖動序列產(chǎn)生器(116)且接收抖動序列，其 中PWM產(chǎn)生器(119)將抖動序列作為抖動信號調(diào)制到Δ-Σ調(diào)制器(100)的模擬信號輸入上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Δ-Σ調(diào)制器(100)，其中該抖動序列產(chǎn)生器(116)產(chǎn)生基本 隨機的抖動序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Δ-Σ調(diào)制器(100)，還包含積分器(104)，該積分器配置成 將模擬信號輸入和抖動信號輸入到位流轉(zhuǎn)換器(107)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Δ-Σ調(diào)制器(100)，其中該周期性檢測器(111)將數(shù)字信號 輸出的采樣窗口與一個或多個預定模式進行比較，且如果采樣窗口與一個或多個預定模式 中的至少一個模式匹配，則檢測到周期性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Δ-Σ調(diào)制器(100)，其中該周期性檢測器(111)利用一個或 多個預定掩模來屏蔽數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個被屏蔽部分且將 一個或多個被屏蔽部分的剩余數(shù)字內(nèi)容與預定屏蔽閾值進行比較，其中如果剩余數(shù)字內(nèi)容 超過預定屏蔽閾值，則檢測到周期性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Δ-Σ調(diào)制器(100)，其中該周期性檢測器(111)過濾數(shù)字信 號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個過濾部分，處理該一個或多個過濾部分以確定 諧波的存在，且將諧波與預定諧波閾值進行比較，其中如果諧波超過預定諧波閾值，則檢測 到周期性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Δ-Σ調(diào)制器(100)，其中該周期性檢測器(111)梳狀過濾數(shù) 字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個梳狀過濾部分，處理該一個或多個梳狀過 濾部分以確定諧波的存在，且將諧波與預定諧波閾值進行比較，其中如果諧波超過預定諧 波閾值，則檢測到周期性。
8.一種包括用于消除空閑音的抖動能力的Δ-Σ調(diào)制器抖動方法，包含 檢測Δ-Σ調(diào)制器的數(shù)字信號輸出中的周期性；在檢測到周期性時的周期期間，激活引導到Δ-Σ調(diào)制器的輸入上的抖動信號； 產(chǎn)生基本隨機的序列作為抖動序列；以及將抖動序列作為脈沖寬度調(diào)制(PWM)的數(shù)字抖動信號調(diào)制到Δ-Σ調(diào)制器的輸入上， 其中在檢測到周期性時的周期期間激活所述產(chǎn)生和調(diào)制。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中檢測周期性還包含將數(shù)字信號輸出的采樣窗口與 一個或多個預定模式進行比較，且如果采樣窗口與一個或多個預定模式中的至少一個模式 匹配，則檢測到周期性。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中檢測周期性還包含利用一個或多個預定掩模來屏蔽數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個 被屏蔽部分；以及將一個或多個被屏蔽部分的剩余數(shù)字內(nèi)容與預定屏蔽閾值進行比較，其中如果剩余數(shù) 字內(nèi)容超過預定屏蔽閾值，則檢測到周期性。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中檢測周期性還包含過濾數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個過濾部分； 處理該一個或多個過濾部分以確定諧波的存在；以及將諧波與預定諧波閾值進行比較，其中如果諧波超過預定諧波閾值，則檢測到周期性。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中檢測周期性還包含梳狀過濾數(shù)字信號輸出的一個或多個部分以產(chǎn)生一個或多個梳狀過濾部分； 處理該一個或多個梳狀過濾部分以確定諧波的存在；以及將諧波與預定諧波閾值進行比較，其中如果諧波超過預定諧波閾值，則檢測到周期性。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，提供一種包括用于消除空閑音的抖動能力的△-Σ調(diào)制器(100)。該△-Σ調(diào)制器(100)包括位流轉(zhuǎn)換器(107)，配置成產(chǎn)生基本對應(yīng)于模擬信號輸入的數(shù)字信號輸出；周期性檢測器(111)，耦合到位流轉(zhuǎn)換器(107)且配置成檢測數(shù)字信號輸出中的周期性；以及抖動序列產(chǎn)生器(116)，連接到周期性檢測器(111)且由周期性檢測器(111)激活。該抖動序列產(chǎn)生器(116)產(chǎn)生抖動序列。該△-Σ調(diào)制器(100)還包括耦合到抖動序列產(chǎn)生器(116)且接收抖動序列的脈沖寬度調(diào)制(PWM)產(chǎn)生器(119)。該PWM產(chǎn)生器(119)將抖動序列作為抖動信號調(diào)制到△-Σ調(diào)制器(100)的模擬信號輸入上。
文檔編號H03M3/02GK102113219SQ200880130579
公開日2011年6月29日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者K. 尼爾森 M., 林德曼 S. 申請人:微動公司