Sigma-Delta DAC的研究与仿真

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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16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DAC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128倍过采样;由于高阶Sigma-Delta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(CIFB)。在充分调研了相关文献的基础上,建立了∑-△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NTF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Delta-Sigma Toolbox工具包计算得出。使用MATLAB软件的环境,设计了可以处理24比特精度5阶1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150dB,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CIC滤波器级联的插值滤波器结构,可以达到128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FIR滤波器实现。对于多级CIC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。本研究设计的∑-△调制器和插值滤波器在EDA工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DAC的仿真结论中,得出输入采样率为44.1KHz的音频信号,系统输出1比特码流的带内信噪比可以达到24比特数据转换应用的分辨率要求。
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