基于FPGA的∑-Δ D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

在各類電子系統(tǒng)中，數(shù)字電路所占比重越來越大。這主要是因?yàn)閿?shù)字電路相對于 電路有一些突出的優(yōu)點(diǎn)，例如：1 數(shù)字電路中的有源器件工作在飽和區(qū) 與截止區(qū)，工作狀態(tài)穩(wěn)定；2 數(shù)字電路處理的是二值信號(hào)，易于存儲(chǔ)和再生；3 數(shù)字電路是由大量相同的基本單元，如門、觸發(fā)器等所組成，易于大規(guī)模集成，易于自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用等。再加上數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，使得數(shù)字電路從集成規(guī)模、應(yīng)用范圍及設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度等方面都大大超過了模擬電路，越來越多的由模擬電路實(shí)現(xiàn)的功能轉(zhuǎn)由數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，進(jìn)入了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)字化時(shí)代。

1 變∑-Δ換的原理

∑-Δ變換采用過取樣技術(shù)，將信號(hào)按時(shí)間分割，保持幅度恒定，具有高取樣率、噪聲整形和比特字長短的特點(diǎn)。變換可以在低取樣率、高分辨率的量化器或者高取樣率、低分辨率的量化器中進(jìn)行，在數(shù)字音頻中很有用，如用于音頻信號(hào)數(shù)字化的∑-Δ ADC及可將已經(jīng)數(shù)字化處理后的音頻信號(hào)還原為模擬聲音信號(hào)的∑-Δ DAC。∑-Δ變換有時(shí)根據(jù)采用的具體結(jié)構(gòu)稱為1比特或多比特變換，本文所描述的∑-Δ DAC采用了1比特變換技術(shù)，克服了采用較多比特?cái)?shù)時(shí)所帶來的量化非線性誤差、糾錯(cuò)困難的缺點(diǎn)。
打個(gè)比方來說明如何用1比特替代16或更多比特：傳統(tǒng)的階梯變換器像16個(gè)電燈泡，連接到各自的開關(guān)上，每個(gè)都有不同的亮度，用各種組合方式可以得到216（即65536）種不同的亮度。然而，燈泡間的亮度差會(huì)引入誤差，某種組合也并不總是能夠產(chǎn)生所要求的亮度。1比特變換技術(shù)采用完全不同的方法，不用那么多燈泡和開關(guān)，只用一個(gè)燈泡和一個(gè)開關(guān)。房間亮度的變化可以通過簡單的改變開、關(guān)燈泡的次數(shù)來得到。如果燈泡開的次數(shù)增加，房間的亮度就會(huì)增加。
∑-Δ變換是將信號(hào)按時(shí)間分割，保持信號(hào)幅度恒定。它用高電平或低電平的脈沖表示信號(hào)，例如可以采用脈沖密度調(diào)制（PDM），如圖1所示恒定幅度的脈沖信號(hào)，不論電平高或低都能夠重建輸出信號(hào)波形。

2 ∑-Δ DAC的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的應(yīng)用電流模技術(shù)的DAC當(dāng)位數(shù)達(dá)到10位以上時(shí)，要在某一溫度范圍保持精度非常困難。本文的∑-Δ DAC運(yùn)用了數(shù)字技術(shù)，因此與電流模DAC相比，不受溫度變化的影響，且能在可編程邏輯器件如FPGA中實(shí)現(xiàn)?！?Δ DAC實(shí)際上是高速1位DAC，應(yīng)用數(shù)字反饋技術(shù)從輸入二進(jìn)制數(shù)字量產(chǎn)生等幅的脈沖串，脈沖串的平均占空比與輸入二進(jìn)制數(shù)字量成正比，脈沖串再通過一RC模擬低通濾波器就能重建模擬波形?！?Δ DAC非常適合于低頻、高精度的應(yīng)用，尤其在數(shù)字音頻領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。