發(fā)布時(shí)間：2020-07-27 16:30

【摘要】：高精度DAC是當(dāng)今的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一,Sigma-Delta調(diào)制技術(shù)是高分辨率中低速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的優(yōu)越實(shí)現(xiàn)方式,其在各種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中脫穎而出,成為高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器最為流行的結(jié)構(gòu)。 Sigma-Delta調(diào)制是一種以速度換取精度的有效方法,利用過(guò)采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù),將量化噪聲整形到通帶外的高頻部分,極大地降低了信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲水平,提高了信噪比。Sigma-Delta調(diào)制器對(duì)模擬電路的設(shè)計(jì)要求依賴性較小,失配噪聲極低。其主要通過(guò)數(shù)字處理技術(shù)壓制噪聲,易于通過(guò)CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn),并且可以容易的實(shí)現(xiàn)嵌入式集成。 Sigma-Delta結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到其他結(jié)構(gòu)所無(wú)法達(dá)到的高精度,當(dāng)前最高精度的ADC和DAC幾乎都是Sigma-Delta型,因此在數(shù)字音視頻、高精度核探測(cè)器、汽車電子、雷達(dá)應(yīng)用、無(wú)線通訊和油氣勘探等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。 Sigma-Delta DAC的數(shù)字電路部分包括內(nèi)插器和數(shù)字調(diào)制器,模擬電路部分包括低位DAC和重建濾波器。在Sigma-Delta DAC集成內(nèi)插器和數(shù)字調(diào)制器會(huì)提高DAC的復(fù)雜度,增大芯片面積和管腳數(shù)量,提高成本,增加應(yīng)用難度。FPGA作為當(dāng)今數(shù)字信號(hào)處理的主流技術(shù),能夠通過(guò)邏輯編程容易的實(shí)現(xiàn)并集成各種數(shù)字邏輯電路。目前大量的系統(tǒng)中都使用了FPGA,將Sigma-Delta DAC中的內(nèi)插器和數(shù)字調(diào)制器這些數(shù)字電路從DAC中轉(zhuǎn)移到FPGA中,既不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度,也同時(shí)可以簡(jiǎn)化DAC的設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)集成度,降低成本。一些廠商針對(duì)這樣的需求推出了僅包含低位DAC和重建濾波器的Sigma-Delta型DAC,例如Texas Instruments(TI)的DAC1280,這些芯片都具有封裝小、成本低、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。內(nèi)插器的結(jié)構(gòu)模型和實(shí)現(xiàn)技術(shù)都比較成熟,數(shù)字調(diào)制器才是對(duì)DAC精度起決定作用的部分,這是高精度Sigma-Delta DAC主要的研究方向和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。 本文研究?jī)?nèi)容為Sigma-Delta DAC中的數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器。第一章介紹論文背景。第二章介紹Sigma-Delta調(diào)制器的基本原理及其結(jié)構(gòu)。第三章詳細(xì)說(shuō)明Sigma-Delta調(diào)制器的設(shè)計(jì)方法。首先結(jié)合大量文獻(xiàn)中所述的設(shè)計(jì)方法,闡述一套完整的用于設(shè)計(jì)穩(wěn)定高階高精度Sigma-Delta調(diào)制器的設(shè)計(jì)流程,并在此基礎(chǔ)上提出一種依據(jù)調(diào)制器穩(wěn)定性要求來(lái)優(yōu)化調(diào)制器設(shè)計(jì)的方法,該方法依據(jù)仿真結(jié)果判定調(diào)制器是否穩(wěn)定。然后對(duì)仿真判定穩(wěn)定性時(shí)需要考慮的頻率選擇和仿真長(zhǎng)度這兩個(gè)因素做了詳細(xì)說(shuō)明,接著依據(jù)文中提出的方法和設(shè)計(jì)流程,詳細(xì)闡述了一款64倍過(guò)采樣率五階一位Sigma-Delta調(diào)制器的具體設(shè)計(jì),最后給出了在FPGA中實(shí)現(xiàn)數(shù)字Sigma-Delta調(diào)制器的方法,并將設(shè)計(jì)的五階一位調(diào)制器在FPGA中實(shí)現(xiàn)。第四章設(shè)計(jì)硬件測(cè)試電路,用于對(duì)Sigma-Delta調(diào)制器的性能進(jìn)行測(cè)試。第五章設(shè)計(jì)測(cè)試電路的主控軟件,用于控制測(cè)試電路完成測(cè)試。第六章首先對(duì)比了不同零極點(diǎn)計(jì)算方法得到的調(diào)制器性能優(yōu)劣,測(cè)試結(jié)果表明查表法計(jì)算零點(diǎn)優(yōu)于切比雪夫II型濾波器法,極點(diǎn)計(jì)算方法基本沒(méi)有差別,接著對(duì)比了本文提出的調(diào)制器設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)Lee判據(jù)法設(shè)計(jì)的調(diào)制器的優(yōu)劣,測(cè)試結(jié)果表明基于穩(wěn)定性要求的仿真判據(jù)法要優(yōu)于傳統(tǒng)的Lee判據(jù)法,最后對(duì)設(shè)計(jì)的五階一位調(diào)制器進(jìn)行測(cè)試,信噪比達(dá)110dB以上,總諧波失真低于-122dB,滿足高精度Sigma-Delta DAC對(duì)Sigma-Delta調(diào)制器的性能要求。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN761;TN791
【圖文】：

擴(kuò)展到了更寬的頻帶上，采用一個(gè)理想的數(shù)字濾波器濾除掉通帶外的噪聲，就能降低噪聲功率。圖2.1為過(guò)采樣技術(shù)降低噪聲功率的原理圖，圖中/B為信號(hào)帶寬，由圖中可以看出，過(guò)采樣率越高，帶內(nèi)量化噪聲越低。5

圖2.2噪聲整形技術(shù)降低量化噪聲原理圖由圖2.2可以看出，噪聲整形后帶內(nèi)的噪聲水平相比整形前會(huì)有極大地下降，噪聲都集中到了帶外的高頻部分，使用濾波器濾除掉帶外的高頻信號(hào)就能濾除絕大多數(shù)的噪聲，達(dá)到極高的信噪比。7

圖3.3 L階3bit量化調(diào)制器SNR圖.1.2噪聲傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)以及調(diào)制器結(jié)構(gòu)選擇在選擇好調(diào)制器的階數(shù)、過(guò)采樣率以及量化器的位數(shù)之后，進(jìn)行調(diào)制器噪傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)，這是調(diào)制器設(shè)計(jì)中最重要的步驟。調(diào)制器噪聲傳輸函數(shù)設(shè)計(jì)包兩個(gè)方面：零點(diǎn)優(yōu)化和極點(diǎn)優(yōu)化（StevenR. Norsworthy et al. 1996; Richard Schreie1993)。零點(diǎn)優(yōu)化是將噪聲傳輸函數(shù)零點(diǎn)由z=l移到附近的單位圓上，這樣可改變通帶內(nèi)噪聲傳輸函數(shù)響應(yīng)曲線形狀，將響應(yīng)曲線由單調(diào)上升優(yōu)化為通帶內(nèi)有多個(gè)零點(diǎn)，使得通帶內(nèi)噪聲響應(yīng)平坦，這樣可以有效地降低通帶噪聲功率，高信噪比；極點(diǎn)優(yōu)化可以使噪聲傳輸函數(shù)在通帶邊緣處獲得非常陡峭的上升提升信噪比，同時(shí)能夠使得通帶外的噪聲傳輸函數(shù)變得平坦，從而大大降低帶總的量化噪聲功率，提高調(diào)制器的穩(wěn)定性。零極點(diǎn)優(yōu)化時(shí)計(jì)算零極點(diǎn)需要用到巴特沃思濾波器或切比雪夫n型濾波器巴特沃思濾波器和切比雪夫II型濾波器可用于設(shè)計(jì)低通、高通、帶通、帶阻濾

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 曹桂平;高精度Sigma-Delta調(diào)制器研究及ASIC實(shí)現(xiàn)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2772090