（计算机软件与理论专业论文）sigmadelta+dac的研究与仿真.pdf

ii一i-4ii5975ft1 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o no fs i g m a - - d e l t ad a c m a s t e rc a n d i d a t e ：y a nj i n c h e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d i n gl e i m a y 2 0 1 0 f a c u l t yo fc o m p u t e r g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ， pr c h i n a ，5 10 0 0 6 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。所研究设计的插值滤波器可以对输入信号进行12 8 倍过采样；由于高阶 s i g m a d e l t a 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5 阶l 比特级联积分输出反馈结构( c i f b ) 。 本文在充分调研了相关文献的基础上，建立了一调制器的线性分析模型， 并根据调制器设计中重要的难点，结合设计流程，给出了完整的实现方案。对于 噪声传递函数n t f 的计算，主要通过对其零极点的优化来确定，而调制器的参数则 根据设计要求由d e l t a - s i g m at o o l b o x 工具包计算得出。使用m a t l a b 软件的环境， 设计了可以处理2 4 比特精度5 阶1 比特输出的一调制器。该调制器通带内的信噪 比很高，仿真值大于15 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 由三级半带滤波器和一个三级c i c 滤波器级联的插值滤波器结构，可以达到12 8 倍 的过采样率。其中的三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。 本文研究设计的一调制器和插值滤波器在e d a i 具以及其他软件工具的综 合应用中得到了相应的仿真验证。在对整个过采样d a c 的仿真结论中，得出输入采 样率为4 4 1k 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2 4 比特数 据转换应用的分辨率要求。 关键词：过采样，一调制器，d a c ，仿真 i 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 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 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 e h a v eb 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 d c 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 t ho t h e rt y p e so fd ac o n v e r t e r ，t h i sk i n do fd a c o n v e r t e r w 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 一an o i s es h a p i n gc a n r e a c hv e r yh i g hr e s o l u t e i o n ( e x c e e d16 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 h p r e c i s i o na n dl a r g es c a l e s ot h e yh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya r e a ss u c h a sh i g hq u a l i t ya u d i od e v i c e ，h i g hp 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 e c 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 c h n i q u ea r es t u d i e d ，w h i c ha r e u s e df o r t h eh i g hp 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 e i n t e r p o l a t i o nf i l t e ri s 12 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 e h i g h o r d e rs i g m a d e l t am o d u l a t o r ，t h eo r d e ro ft h em o d u l a t o ri sc h o s ea s5 恤 o r d e ra n di t ss t r u c t u r es e l e c tc a s c a d e o f - i n t e g r a t o rf e e d b a c kf o r m ，w i t ha1 - b i t o 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 s a n dm e t h o d sf r o mm a n yo t h e rp a p e r s ，w e p 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 df u l li m p l e m e n t a t i o ns c h e m ew i t ht h e d e s i g nf l o wo ft h es t a b l eh i g h o r d e rh i g h - r e s o l u t i o n 一a m o d u l a t o r n o i s e t r a n s f e rf u n c t i o nc a nb ec a l c u l a t e db yo p t i m i z i n gi t sp o l e z e r o a n dn t f s p a r a m e t e r s i sc a l c u l a t e di nd e l t a s i g m at o o l b o xa c c o r d i n gt o r e l a t i v e r e q u i r e m e n t b yt h e e n v i r o n m e n to ft h em a t l a b ，w ed e s i g nt h e 一a m o d u l a t o rw i t h5o r d e ra n dl b 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 s 15 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 en 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 f tr 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 a n df i l t e r a 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 h r e eh a l f - b a n df i l t e r sa n d a b s t r a c t t h r e ec a s c a d e d i 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 e 12 8 o v e r s a m p l i n gr a t i o t h et h r e eh a l f - b a n df i l t e r sa r ei m p l e m e n t e db ye q u a l r 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 e c a nr e d u c et h eh a r d w a r er e s o u r 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 d c o m bi n t e r a c t a sar e s u l t ，t h e 一am o d u l a t o ra n dt h e i n t e r p o l a t i o n f i l t e ra r e i m p l e m e n t e da n dv e r i f i e db ye d at o o l sa n do t h e rs o f t w a r e f o rt h ei n p u t a u d i os i g n a lw i t h4 4 1k h z ，t h ei n b a n ds n ro ft h e1b i to u t p u tc a na c h i e v et h e r e q u i r e m e n to f 2 4b i td a t at r a n s f o r ma c c o r d i n gt ot h er e s u l to fs i m u l a t i o n k e yw o r d s ：o v e r s a m p l i n g ，一am o d u l a t o r ，d a c ，s i m u l a t i o n i i i 目录 目录 j 痛要i a b s t r a c t 1 i 目录v c o n t e n t s v i i 第一章绪论1 1 1 课题的背景和意义l 1 2 数模转换器技术发展状况。2 1 3z 一数模转换器的发展历史。3 1 4 本文的主要工作4 第二章数模转换器概述6 2 1 数模转换器类型6 2 2 量化噪声分析。7 2 3 过采样d a c 的原理和结构1 2 2 3 1 过采样1 2 2 3 2 噪声整形l3 2 3 3 过采样d a c 的基本结构1 3 2 4 本章小结1 4 第三章内插滤波器的研究1 5 3 1 内插滤波器设计分析1 5 3 1 1 内插滤波器的理论分析1 5 3 1 2 滤波器的分类与选择1 6 3 1 3 多级插值系统的设计1 8 3 27 # 带滤波器的原理和设计1 8 3 2 1 半带滤波器的基本原理1 8 3 2 2 半带滤波器的设计2 l 3 2 37 卜带滤波器的结构优化及实现2 5 3 3 积分梳状滤波器的设计2 9 3 3 1 积分梳状滤波器的原理2 9 3 3 2 积分梳状滤波器的设计研究3 2 3 4 本章小结3 2 第四章调制器的研究3 4 4 1 从增量调制剑增量总和调制3 4 4 2 增量总和调制器的分析3 6 4 2 1 一阶增量总和调制器的传输特性和信噪比3 6 4 2 2 高阶z 一调制器3 9 4 2 3 调制器的常见结构4 2 4 3 调制器的设计4 3 4 3 1 噪声传递函数的相关优化4 4 4 3 2 确定调制器的结构和参数4 6 4 4 本章小结4 9 v 广东工业大学硕士学位论文 第五章d a c 系统的仿真5 0 5 1 系统仿真的流程5 0 5 2 插值滤波器的仿真与验证5 1 5 3 调制器的仿真与验证5 6 5 4 综合仿真结果5 9 5 5 本章小结5 9 第六章总结和展望6 1 6 1 本文工作总结6 l 6 2 研究展望6 l 参考文献6 3 攻读学位期间发表的论文6 7 独创性声明6 8 致谢6 9 附录。7 0 v i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t i i i c o n t e n t s ( c hin e s e ) v c o n t e n t s 1 ，1 i c h a p t e r1 i n t r o d u c ti o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a t i o n l 1 2d a ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t 。2 1 3z 一d a c sh i s t o r yi nd e v e l o p m e n t 3 1 4c o n t e n t sa n ds t r u c t u r eo ft h ep a p e r 4 c h a p t e r2 d a ( ：o v e r v i e w 6 2 1t y p eo f d a c 6 2 2a n a l y s i so fq u a n t i z a f i o nn o i s e 7 2 3p r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fo v e r s a m p l i n gd a c 12 2 3 1o v e r s a m p l i n g 1 2 2 3 2n o i s es h a p i n g 1 3 2 3 3b a s i cs t r u c t u r eo fo v e r s a m p l i n gd a c 。l3 2 4s u m m a r y 1 4 c h a p t e r3 i n t e r p o l a t i o nf i l t e rr e s e a r c ha n dd e s i g n 1 5 3 1a n a l y s i so fi n t c r p o l a f i o nf i l t e rd e s i g n 1 5 3 1 1t h e o r e t i c a la n a l y s i so f i n t e r p o l a t i o nf i l t e r 1 5 3 1 2c l a s s i f i c a t i o na n ds e l e c t i o no ff i l t e r 16 3 1 3d e s i g no f m u l t i - s t a g ei n t e r p o l a t i o ns y s t e m 1 8 3 2h a l f - b a n df i l t d t h e o r ya n dd e s i g n 18 3 2 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo f h a l f b a n df i l t e r 。1 8 3 2 2d e s i g no f h a l f - b a n df i l t e r 2 1 3 ：；：i c sd e s i g n 2 9 3 3 1c i cp r i n c i p l e 2 9 3 3 ：! l ：i cd e s i g n 3 2 3 4s u m m a r y 3 3 c h a p t e r4 m o d u l a t o rr e s e a r c ha n dd e s i g n 3 4 4 16 o md e l t at od e l t a t o t a lm o d u l a t i o n 3 4 4 2d e l t a t o t a lm o d u l a t i o na n a l y s i s 3 6 4 2 1f i r s t - o r d e rd e l t a s i g m am o d u l a t i o n st r a n s m i s s i o na n ds i g n a lt on o i s er a t i o 3 6 4 2 2h i g h o r d e r 一am o d u l a t o r 3 9 4 2 3c o m m o ns t r u c t u r eo fm o d u l a t o r 4 2 4 3d e s i g no f m o d u l a t o r 4 3 4 3 1o p t i m i z a t i o no f n o i s et r a n s f e rf u n c t i o n 4 4 4 3 2c o n f i r ms t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r 4 6 4 4s u m m a r y 4 9 c h a p t e r5 s i m u l a t i o nw i t hd a cs y s t e m 5 0 5 1f l o wo f s y s t e ms i m u l a t i o n 5 0 v 广东工业大学硕士学位论文 5 2i n t e r p o l a t i o nf i l t e rs i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n 5 l 5 3m o d u l a t o rs i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n 5 6 5 4r e s u l to f s y s t e ms i m u l a t i o n 5 9 5 5s u m m a r y 5 9 c h a p t e r6 c o n cl u si o n 6 1 6 1s u n n n a r ya b o u tt h i sp a p e r 6 1 6 2o u t l o o ko f r e s e a r c h 6 1 r e f e r e n c e s 6 3 p u b l i c a t i o n sd u r i n gm a s t e r ss t u d i t 爆6 7 a n n o u n c e m e n to f o r i g i n a lc r e a t i o n 6 8 a c k k n o w l e d g e m e n t 6 9 a p p e n d i x 7 0 v i i i 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 数模转换器( d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ，简称d a c ) 是一种将输入的数 字信号转换成模拟信号输出的器件，它被广泛应用于数字通信、自动控制、自动 检测和数字多媒体技术等领域。音视频已经进入了数字时代，c d 、d v d 、m p 3 等 大量数字电子设备进入市场，成为消费电子的热点。同时随着超大规模集成电路 技术的发展，在单片电路上集成复杂的数字信号处理能力已经成为可能，因此研 究音频系统中的数模转换器芯片具有广泛的现实意义。 对于传统的d a c ( 主要为权电阻型、梯形电阻型、开关电容型及并联型等) ， 无论采用何种结构，主要都是采用奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样率下的模拟电路来实 现，虽然实时性较好，但是对电路的设计和制造工艺要求很高。在高分辨率的情 况下，转换结果受电阻或者电流单元精度的影响变得尤为明显。例如，在3 v 的 参考电压下，要实现一个1 8 位精度的d a c ，其允许的最大误差( 1 2 l s b ) 约为 5 7 ，仅仅相当于几个电子存储在0 1 矽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。这样一来，就需要使用更好的工艺，来减小集成电路 制造过程中电阻或者电流源的偏差，有时候在后期甚至需要对电阻进行激光修 正，这无疑大大增加了成本。此外，在传统d a c 的输出端，往往要采用复杂的高 阶重构滤波器来平滑信号，这进一步增加了工艺难度和产品成本。基于上述原因， 采用过采样和噪声整形技术的一d a c ( s i g m a - d e l t a 数模转换器) ，在高精度和 中低速的数模转换应用中，逐渐取代传统数模转换器。 一d a c 把大部分转换过程转移到数字域进行处理，虽然增加了数字电路 的规模，但是由于数字部分输出的数据码流字长很短( 通常为l 比特) ，因此模拟 部分可以只用一个位数很低的简单d a 转换单元构建；同时，大部分的数字电路 可以采用标准的数字c m o s 工艺实现，也相应的降低了制造成本。综上所述， 一ad a c 相比传统的奈奎斯特率d a c ，其优势主要表现为精度高、成本低、易于 与大规模数字系统进行单片集成等。 广东工业大学硕士学位论文 国外生产数模转换器的最著名的厂家有以下三家：美国德州仪器( t e x a s i n s t r u m e n t s ，t i ) 、美国模拟器件公司( a n a l o gd e v i c e s ，a d i ) 、美国国家半导 体( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) ，其中t 工在2 0 0 0 年成功收购了布尔布劳恩公司 ( b u n - b r o w nc o r p o r a t i o n ，b b ) ，成为全球高性能数据转换器的主要供应商。除 此之外，美信( m a x i m ) 、摩托罗拉( m o t o r o l a ) 、仙童( f a i r c h i l d ) 、日本电气( n e c ) 等公司也有数模转换器产品。 国内一些高校已经开始从事高分辨率数模转换器的研究和开发，包括复旦大 学、清华大学、上海交通大学、电子科技大学、华东师范大学、华南理工大学等。 国内专门从事数模转换器设计的公司有四川登巅微电子、上海捷项微电子公司 等。 1 2 数模转换器技术发展状况 音频处理领域对数模转换器精度要求相对较高，为了保证音频信号真正高品 质地输出，通常要求达到1 6 位以上的精度。长期以来人们对其进行了广泛的研 究。 回顾数模转换器的发展历史，我们发现其经历了从电子管、晶体管到集成电 路的发展过程。 上世纪4 0 年代后期，数字通信研究和应用兴起，这要求将接收到的数字信 号还原成声音、图像。于是电子管组装成的数模转换器应运而生。 5 0 年代中期，随着半导体工艺的发展，数模转换器中的电子管逐步由半导 体晶体管所替代，数模转换器的体积和重量大大减小。 6 0 年代中期，随着集成电路技术的进步和数据转换技术的发展，构成数模 转换器的主要功能单元电路，如运算放大器、基准电压源、电阻网络、开关和逻 辑电路等已陆续实现集成化。在此背景下，传统的全部用分立器件组装数模转换 器的方法逐渐被替代。人们采用现成的通用集成电路运算放大器芯片、逻辑 集成电路、基准电压源芯片等，并外加一些必要的元器件，来组装数模转换器。 这种形式的数模转换器，与完全分立器件组装的数模转换器相比，在一定程度上 简化了设计。 7 0 年代初，所有元器件都被集成在同一块芯片上的单片数模转换器研制成 功。这标志着数模转换器真正达到工业化大生产的阶段，摆脱了精心挑选数模转 2 第一章绪论 换器元器件的麻烦，从而大大降低了成本，提高了可靠性。 此后，数模转换器得到迅速发展，新的设计思想、新工艺不断出现，性能不 断提高b i p o l a r 工艺、c m o s 工艺、b i c m o s 工艺。其中，c m o s 工艺，功耗小、 集成度高，制成的模拟开关具有双向特性，而且容易大规模集成。 现代集成电路设计中，数模转换器不再仅作为单芯片使用，而是逐渐集成到 大规模信号处理芯片的内部，也就是s o c 的一部分。数模转换器作为i p 在设计 中使用，已经是发展趋势。数模转换器有很广泛的应用范围，如图1 - 1 所示，在 通信、视频、音频、传感器领域都有普遍的应用。 2 0 1 6 差t 2 萎3 4 i c km h zg 舭 采桴额攀 图1 1 数模转换器的应用范围 f i g u r e1 一la p p l i c a t b no fd a c 1 3z - a 数模转换器的发展历史 由于一技术可以实现高精度数据转换，而且不用精确匹配模拟器件，因 而是最适合数字音频应用的数模转换器实现方案。它使得输出的音频信号品质更 加趋近完美，同时也降低了成本。一调制技术“1 从概念的提出到目前的产业 应用已经有半个世纪了。 在5 0 年前，1 9 6 2 年i n o s e 等人乜1 提出通过反馈提高数据转换精度的方法， 这可能是噪声整形概念( 也就是一调制) 第一次被提出。他们应用这个方法， 设计了一个a d c 系统，这个系统采用一个连续时间积分器作为环路滤波器，一个 施密特触发器作为量化器，这个a d c 的信号带宽是5 k h z ，可以实现的s n r 为4 0 d b 。 3 广东工业大学硕士学位论文 在当时，由于集成电路规模很小，导致采用数字电路硬件换模拟电路精度、速度 的方法没有应用价值，所以这个课题的研究在相当长一段时间内进展不大。 1 2 年后，r i t c h i e 口3 提出采用高阶环路滤波器方法。1 9 8 6 年a d a m s 应用 r i t c h i e 的理论设计完成了一个1 8 位z - a 模数转换器h 3 。同时，贝尔实验室的 c a n d y 和其同事深化了z - a 调制技术的理论和设计方法删。c a n d y 和h u y n h 提 出了应用于z - a 数模转换器中的m a s h 结构调制器理论n 叫。 1 9 8 8 年，l a r s o n 等人提出了数字线性纠正技术n ，这项技术可以大大提高 一调制器中内部多位量化器的线性度；同时，c a r l e y 和k e n n e y 提出了动态 匹配方法n 刳。随后，l e u n g 和s u t a r j a 、s t o r y 、r e d m a n w h i t e 和b o u r n e r 、j a c k s o n 、 a d a m s 和k w a n 、b a i r d 和f i e z 提出了其他各种失配整形算法( m i s m a t c h s h a p i n g a l g o r i t h m ) 。 上世纪8 0 年代后期，出于在无线通信领域的应用前景，出现了研究带通 一调制器的热潮n 3 。1 鲥。 1 4 本文的主要工作 为了提高音频过采样d a c 的性能，并满足不同制式下d a c 的兼容性。本文在 理解数模转换器原理的基础上，研究了一种对于2 4 b i t 精度、1 2 8 倍过采样率要 求的过采样d a c 的设计，最高信噪比达到约1 5 0 d b ，并对其进行了仿真验证。 在绪论之后，第二章为数模转换器论述。首先介绍了数模转换器的类型，然 后给出了数据转换过程中的量化噪声模型，在此基础上着重分析了一a d a c 的 结构与工作原理，然后简单介绍了d a c 的常用参数指标。 第三章分析了插值滤波器的基本原理和结构，然后逐次介绍了半带滤波器和 c i c 滤波器的工作原理以及相应的设计方法。半带滤波器中乘法器系数采用了 c s d 编码进行简化，最终硬件实现的插值滤波器达到了小于0 0 5 d b 的带内波纹 和超过6 4 d b 的阻带衰减。 第四章分析了一调制器的原理，并根据w l l e e ，r s c h r e i e r 等人的理 论，给出优化设计调制器其噪声传递函数的方法。包括零极点的优化以提高信噪 4 第一章绪论 比，增益的优化以增强稳定性。然后，通过d s t o o l 工具计算出调制器的相关参 数并确定其实现结构。最后按照上述方法，研究设计了一个5 阶l 比特输出情况 下的调制器。 第五章阐述了利用各种仿真工具对本文所研究的过采样d a c 系统进行仿真 验证的过程，并给出了相应的测试结果。 第六章是对本文工作的总结和对下一步研究的展望。 5 广东工业大学硕士学位论文 第二章数模转换器概述 数模转换器作为数字系统和模拟系统之间的接口，它的结构原理如图2 一l 所示，输入数字量，输出模拟量。其内部电路具有数字电路和模拟电路的各种特 点，因此数模转换器品种繁多，分类方法也是多种多样的。本章将首先介绍数模 转换器的类型。 壤拟 输 坟b 。玟b t 图2 - 1 数模转换结构图 f i g u r e2 1s t r u c t u r eo fd i g i t a l a n a l o gc o n v e r s i o n 过采样d a c 属于数模转换器其中的一种类型，其核心思想是在噪声总功率一 定的前提下，利用过采样和嗓声整形技术将大部分噪声功率转移到高频段，使得 信号频带内的噪声变的很小，从而提高了信噪比。与传统的奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样率d a c 相比，过采样具有很高的动态范围和转换精度。本章在对d a c 类型介 绍后，通过对量化噪声的分析引入过采样和噪声整形技术，随后介绍过采样d a c 的基本结构和工作原理；在本章的最后部分，列举了衡量d a c 性能的常用参数和 指标。 2 1 数模转换器类型 数模转换器的分类是多种多样的。按数模转换器的主要功能单元特点分类： 有电阻型、电流源型、电容型。常见的有权电阻网络、权电容网络、梯形电阻网 络、电压分段网络和电流源阵列等。按数模转换器的性能特点分类：数模转换器 6 第二章数模转换器概述 常常按它的主要性能指标进行分类，如转换速度、转换精度、分辨率等。按分辨 率分类，数模转换器可分为6 位、8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位、1 6 位、1 8 位、2 4 位等。根据数字编码的不同，数模转换器可分为二进制输入型、b c d 码输入型和 格雷码输入型等；同时，按数字码输入方式分类，可分为串行输入和并行输入。 按转换器的输出电学特性分类，数模转换器可分为电压输出型和电流输出型。 按照信号频率和采样频率之间的关系，数模转换器一般分成两大类：奈奎斯 特采样率d a c 和过采样d a c 。设采样频率是，信号带宽为j 口，根据奈奎斯特采 样定理n 6 】，要求采样频率z 2 厶，而厶略大于厶。采样频率z 和2 倍信号带 宽的比值，即z ( 2 以) ，称为过采样率( o s r ，o v e r s 硼p l i n gr a t i o ) 。o s r 较大 ( o s r 8 ) 的数模转换器称为过采样数模转换器；o s r 较小的数模转换器( 一般 1 o s r 8 ) ，称为奈奎斯特率数模转换器。图2 2 说明了奈奎斯特率数模转换器 和过采样数模转换器之间的差别。前者的反混叠滤波器的过渡带很短，后者的反 混叠滤波器的过渡带很长。 信 号 捂 度 信 号 幅 度 a ，奈奎巍耱搴b 过皋榉 图2 1 奈奎斯特率与过采样数模转换器频谱比较 f i g u r e2 - 2n y q u i s tr a t ec o m p a r e dw i t ht h eo v e r - s a m p l i n gd a cs p e c t r u m 2 2 量化噪声分析 量化噪声的存在是数据转换器实现高精度转换的核心障碍所在，所以首先介 绍信号的量化。任何d a 转换器都包括有三个基本的功能：抽样、量化与编码。 抽样过程将模拟信号在时间上离散化使之编程抽样信号，根据n y q u i s t 采样定 律，采样后的离散时间信号可以通过理想滤波器得到无失真的恢复。编码只是将 7 广东x _ ：l k 大学硕士学位论文 己量化好的数字信号用某种格式的数字代码来表示，也不会产生失真。量化将抽 样信号的幅度离散化使之变成数字信号，即量化是对抽样信号进行幅度上的离散 化，与信号的时间离散化过程不同，量化过程不可逆的，经量化得到的数字信号 不可能不失真地恢复原信号，它必定要引入量化误差，或量化噪声。由于量化噪 声的大小决定了d a 转换