Sigma-Delta DAC数字调制器研究、设计及FPGA实现
发布时间：2020-07-27 16:30
【摘要】：高精度DAC是当今的热点研究领域之一,Sigma-Delta调制技术是高分辨率中低速度数据转换器的优越实现方式,其在各种结构的数据转换器中脱颖而出,成为高精度数据转换器最为流行的结构。 Sigma-Delta调制是一种以速度换取精度的有效方法,利用过采样技术和噪声整形技术,将量化噪声整形到通带外的高频部分,极大地降低了信号带宽内的噪声水平,提高了信噪比。Sigma-Delta调制器对模拟电路的设计要求依赖性较小,失配噪声极低。其主要通过数字处理技术压制噪声,易于通过CMOS工艺来实现,并且可以容易的实现嵌入式集成。 Sigma-Delta结构的数据转换器可以达到其他结构所无法达到的高精度,当前最高精度的ADC和DAC几乎都是Sigma-Delta型,因此在数字音视频、高精度核探测器、汽车电子、雷达应用、无线通讯和油气勘探等领域得到极为广泛的应用。 Sigma-Delta DAC的数字电路部分包括内插器和数字调制器,模拟电路部分包括低位DAC和重建滤波器。在Sigma-Delta DAC集成内插器和数字调制器会提高DAC的复杂度,增大芯片面积和管脚数量,提高成本,增加应用难度。FPGA作为当今数字信号处理的主流技术,能够通过逻辑编程容易的实现并集成各种数字逻辑电路。目前大量的系统中都使用了FPGA,将Sigma-Delta DAC中的内插器和数字调制器这些数字电路从DAC中转移到FPGA中,既不会增加系统的复杂度,也同时可以简化DAC的设计,提高系统集成度,降低成本。一些厂商针对这样的需求推出了仅包含低位DAC和重建滤波器的Sigma-Delta型DAC,例如Texas Instruments(TI)的DAC1280,这些芯片都具有封装小、成本低、使用简单的特点。内插器的结构模型和实现技术都比较成熟,数字调制器才是对DAC精度起决定作用的部分,这是高精度Sigma-Delta DAC主要的研究方向和设计难点。 本文研究内容为Sigma-Delta DAC中的数字Sigma-Delta调制器。第一章介绍论文背景。第二章介绍Sigma-Delta调制器的基本原理及其结构。第三章详细说明Sigma-Delta调制器的设计方法。首先结合大量文献中所述的设计方法,阐述一套完整的用于设计稳定高阶高精度Sigma-Delta调制器的设计流程,并在此基础上提出一种依据调制器稳定性要求来优化调制器设计的方法,该方法依据仿真结果判定调制器是否稳定。然后对仿真判定稳定性时需要考虑的频率选择和仿真长度这两个因素做了详细说明,接着依据文中提出的方法和设计流程,详细阐述了一款64倍过采样率五阶一位Sigma-Delta调制器的具体设计,最后给出了在FPGA中实现数字Sigma-Delta调制器的方法,并将设计的五阶一位调制器在FPGA中实现。第四章设计硬件测试电路,用于对Sigma-Delta调制器的性能进行测试。第五章设计测试电路的主控软件,用于控制测试电路完成测试。第六章首先对比了不同零极点计算方法得到的调制器性能优劣,测试结果表明查表法计算零点优于切比雪夫II型滤波器法,极点计算方法基本没有差别,接着对比了本文提出的调制器设计方法和传统Lee判据法设计的调制器的优劣,测试结果表明基于稳定性要求的仿真判据法要优于传统的Lee判据法,最后对设计的五阶一位调制器进行测试,信噪比达110dB以上,总谐波失真低于-122dB,满足高精度Sigma-Delta DAC对Sigma-Delta调制器的性能要求。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN761;TN791
【图文】：
扩展到了更宽的频带上，采用一个理想的数字滤波器滤除掉通带外的噪声，就能降低噪声功率。图2.1为过采样技术降低噪声功率的原理图，图中/B为信号带宽，由图中可以看出，过采样率越高，带内量化噪声越低。5
图2.2噪声整形技术降低量化噪声原理图由图2.2可以看出，噪声整形后带内的噪声水平相比整形前会有极大地下降，噪声都集中到了带外的高频部分，使用滤波器滤除掉带外的高频信号就能滤除绝大多数的噪声，达到极高的信噪比。7
图3.3 L阶3bit量化调制器SNR图.1.2噪声传输函数设计以及调制器结构选择在选择好调制器的阶数、过采样率以及量化器的位数之后，进行调制器噪传输函数设计，这是调制器设计中最重要的步骤。调制器噪声传输函数设计包两个方面：零点优化和极点优化（StevenR. Norsworthy et al. 1996; Richard Schreie1993)。零点优化是将噪声传输函数零点由z=l移到附近的单位圆上，这样可改变通带内噪声传输函数响应曲线形状，将响应曲线由单调上升优化为通带内有多个零点，使得通带内噪声响应平坦，这样可以有效地降低通带噪声功率，高信噪比；极点优化可以使噪声传输函数在通带边缘处获得非常陡峭的上升提升信噪比，同时能够使得通带外的噪声传输函数变得平坦，从而大大降低带总的量化噪声功率，提高调制器的稳定性。零极点优化时计算零极点需要用到巴特沃思滤波器或切比雪夫n型滤波器巴特沃思滤波器和切比雪夫II型滤波器可用于设计低通、高通、带通、带阻滤
本文编号：2772090
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN761;TN791
【图文】：
扩展到了更宽的频带上，采用一个理想的数字滤波器滤除掉通带外的噪声，就能降低噪声功率。图2.1为过采样技术降低噪声功率的原理图，图中/B为信号带宽，由图中可以看出，过采样率越高，带内量化噪声越低。5
图2.2噪声整形技术降低量化噪声原理图由图2.2可以看出，噪声整形后带内的噪声水平相比整形前会有极大地下降，噪声都集中到了带外的高频部分，使用滤波器滤除掉带外的高频信号就能滤除绝大多数的噪声，达到极高的信噪比。7
图3.3 L阶3bit量化调制器SNR图.1.2噪声传输函数设计以及调制器结构选择在选择好调制器的阶数、过采样率以及量化器的位数之后，进行调制器噪传输函数设计，这是调制器设计中最重要的步骤。调制器噪声传输函数设计包两个方面：零点优化和极点优化（StevenR. Norsworthy et al. 1996; Richard Schreie1993)。零点优化是将噪声传输函数零点由z=l移到附近的单位圆上，这样可改变通带内噪声传输函数响应曲线形状，将响应曲线由单调上升优化为通带内有多个零点，使得通带内噪声响应平坦，这样可以有效地降低通带噪声功率，高信噪比；极点优化可以使噪声传输函数在通带边缘处获得非常陡峭的上升提升信噪比，同时能够使得通带外的噪声传输函数变得平坦，从而大大降低带总的量化噪声功率，提高调制器的稳定性。零极点优化时计算零极点需要用到巴特沃思滤波器或切比雪夫n型滤波器巴特沃思滤波器和切比雪夫II型滤波器可用于设计低通、高通、带通、带阻滤
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 曹桂平;高精度Sigma-Delta调制器研究及ASIC实现[D];中国科学技术大学;2012年
本文编号：2772090
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