《过采样Σ-△音频DAC数字部分设计与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过采样Σ-△音频DAC数字部分设计与实现（60页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要摘要随着集成电路技术的快速发展，人们对数据转换和信号处理过程中数模( D A ) ，模数( A D ) 转换器的精度要求也越来越高。相对于其它类型的数模转换器，基于过采样和D 噪声整形技术的数模转换器不需要高精度和大规模的模拟组件就能达到很高的转换精度( 大于等于1 6 位) ，它们被广泛的应用于高质量的音频信号处理，高精度的测量及远距离通信等领域，成为D A C 设计的研究热点。本文研究了可应用于音频系统的高精度过采样数模转换器中的调制滤波技术。所设计的插值滤波器可以对输入信号进行1 2 8 倍过采样；由于高阶吕调制器存在非线性和不稳定性问题，所设计的调制器的结构选用3 阶l 比特输出结
2、构。本文在充分调研了相关文献的基础上，建立了吕调制器的线性分析模型，给出了完整的设计流程。借助M a t l a b 软件的计算和仿真，设计了可以处理1 6 比特精度3 阶l 比特输出的调制器。该调制器通带内的信噪比很高，仿真值大于1 0 0 d B ，实现了较好抑制带内噪声的目标。最终得到了只需加法器和移位器就可实现的简单的调制器结构，节省了功耗。在深入研究半带滤波器和积分梳状滤波器原理和特性的基础上，本文设计了由两级半带滤波器和四级C I C 滤波器级联的插值滤波器结构，可以达到1 2 8 倍的过采样率。其中的两级半带滤波器为采用等波纹法设计的F I R 滤波器实现。对于多级C I C 滤
3、波器的实现，利用积分器和梳状器互相抵消的特性，进一步减少了所需的硬件资源。本文设计的吕调制器和插值滤波器在X i l i n xV r r t e xI I 系列F P G A 器件下得到硬件实现和功能验证。对于输入采样率为4 4 1 K H z 的音频信号，系统输出1比特码流的带内信噪比可以达到1 6 比特数据转换应用的分辨率要求。关键字D A C ：A 调制器；半带滤波器；C I C 级联积分梳状滤波器；F P G AA B S T R A C TA BS T R A C TW i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ei n t e g
4、r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y , p e o p l eh a v e b e e nl a y i n gm u c hg r e a t e re m p h a s i so nt h ep r e c i s i o no fD Aa n dA Dc o n v e r t e r sw h i c ha r eu s e di nt h ed a t ac o n v e r s i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n g C o m p a r e dw i mo t h e rt y p
5、e so fD Ac o n v e r t e r , t h i sk i n do fD Ac o n v e r t e rw h i c hb a s e do nt h et e c h n o l o g yo fO v e r s a m p l i n ga n d - An o i s es h a p i n gc 强r e a c hv e r yh i 班r e s o l u t i o n ( e x c e e d l6 b i t ) w i t h o u ta n ya n a l o gd e v i c eo fh i g hp r e c i s i
6、 o na n dl a r g es c a l e S o 也e yh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya i e a ss u c ha sh i 曲q u a l i t ya u d i od e v i c e ，h i 班p r e c i s i o nm e a s u r e m e n ta n dl o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n _I nt h i sp a p e r , t h em o d u l a t o ra n df i l t e rt e
7、 c h n i q u ea l es t u d i e d , w h i c ha l eu s e df o rt h eh i 曲p r e c i s i o na u d i os y s t e m T h eO v e r s a m p l i n gr a t i oo ft h ei n t e r p o l a t i o nf i l t e ri s1 2 8 B e c a u s eo ft h en o n l i n e a ra n di n s t a b i l i t yo ft h eo r d e r - ，t h eo r d e ro
8、ft h em o d u l a t o ri sc h o o s e da s3o r d e ra n d 谢t ha1 - b i to u t p u ts i g n a l 。B yl e a r n i n ge x p e r i e n c e sa n dm e t h o d sf r o mm a n yo t h e rp a p e r s ，w ep r e s e n t e dt h el i n e a ra n a l y z em o d u l ea n dt h ed e s i g nf l o wo ft h es t a b l eh i
9、g h - o r d e rh i g h - r e s o l u t i o nD m o d u l a t o r B yt h es i m u l a t i o no ft h eM a t l a b ，w ed e s i g nt h e - Am o d u l a t o rw i t h3o r d e ra n d1 - h i to u t p u t T h eS N Ro ft h ep a s sb a n de x c e e d s10 0 d B ，S Ot h em o d u l a t o rc a nr e s t r a i nt h e
10、n o i s ei nt h ep a s sb a n de f f e c t i v e l y A n dt h ei m p l e m e n to ft h em o d u l a t o ro n l yn e e d sa d d e ra n ds h i Rr e g i s t e r s ，w h i c he c o n o m i z et h ep o w e r O nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h et h e o r ya n dc h a r a c t e r i s t i co fh a l f - b
11、a n df i l t e ra n di n t e g r a t o rc o m bf i l t e r , w ed e s i g nac a s c a d e do ft w oh a l f - b a n Af i l t e r sa n df o u rc a s c a d e di n t e g r a t o rc o m b ( C I C ) f i l t e r s ，w h i c ha c h i e v et h e12 8o v e r s a m p l i n gr a t i o T h et w oh a l f - b a n df
12、 i l t e r sa r ei m p l e m e n t e db ye q u a lr i p p l em e t h o d W h e ni m p l e m e n tt h ec a s c a d e di n t e g r a t o rc o m b ( C I C ) f i l t e r , w ec a nr e d u c et h eh a r d w a r er e s o U l C eb yt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h ei n t e g r a t o ra n dc o m b
13、i n t e r a c t A sar e s u l t , t h e - Am o d u l a t o ra n dt h ei n t e r p o l a t i o nf i l t e ra r ei m p l e m e n t e da n dv e r i f i e db yX i l i n xV i r t e xI Is e r i e sF P G A F o rt h ei n p u ta u d i os i g n a l 、阢m4 4 1K H z ,t h ei n b a n dS N Ro ft h elb i to u t p u t
14、C a na c h i e v et h er e q u i r e m e n to f16b i td a t at r a n s f o r m K e y w o r d sD A C ，一AM o d u l a t o r , h a l f - b a n df i l t e r , c a s c a d e di n t e g r a t o rc o m b ( C I C )f i l t e r , F P G AI I独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特要l , l J n 以标注和致谢的地方
15、外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期2 J , “ 2 关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：馘垄导师签名：日期：竺! ：兰第l 章绪论1 1 课题背景与意义第1 章绪论1 1 1 A D A C 研究背景与意义随着
16、数字技术和数字计算机的发展，以及通信和多媒体技术的快步前进，数字信号处理( D S P ) 中的D A 转换器被广泛的应用于日常生活的各个领域，系统整机对D A 提出了更高的要求，作为模拟输出和数字处理中间必不可少的D A 转换器的速度和精度也应该有很大的提高，才能满足人们的要求。当前的数据转换和信号处理中，对高精度的数模转换器有很大的需求。然而，传统的权电阻、权电流网络和开关电容型结构的D A C ，主要采用奈奎斯特采样频率下的模拟电路来实现，对电路的设计和制造工艺要求很高。尤其在高分辨率的情况，电阻或者电流单元的精度对转换的结果有着巨大的影响。以一个2 0 位精度D A C 为例，如果参考电压选择为3 V ，那么其允许的最大误差O 2 L S 8 ) 约为1 4 3 u v ，甚至小于单个电子存储在0 1 p F 的电容上所产生的电压，也小于典型的M O S 运放输入热噪声。随着V L S I 技术的发展，芯片电源电压将会进一步下降，这就导致模拟电路的精度要求更高
