基于FPGA的∑-Δ D/A转换器的设计与实现

发布于：2006/11/14 8:51:16 | 418 次阅读

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引言
　　在各类电子系统中，数字电路所占比重越来越大。这主要是因为数字电路相对于电路有一些突出的优点，例如：1 数字电路中的有源器件工作在饱和区与截止区，工作状态稳定；2 数字电路处理的是二值信号，易于存储和再生；3 数字电路是由大量相同的基本单元，如门、触发器等所组成，易于大规模集成，易于自动化设计工具的应用等。再加上数字计算机和数字信号处理技术的迅速发展，使得数字电路从集成规模、应用范围及设计自动化程度等方面都大大超过了模拟电路，越来越多的由模拟电路实现的功能转由数字电路实现，进入了电子系统设计的数字化时代。
　　1 变∑-Δ换的原理
　　∑-Δ变换采用过取样技术，将信号按时间分割，保持幅度恒定，具有高取样率、噪声整形和比特字长短的特点。变换可以在低取样率、高分辨率的量化器或者高取样率、低分辨率的量化器中进行，在数字音频中很有用，如用于音频信号数字化的∑-Δ ADC及可将已经数字化处理后的音频信号还原为模拟声音信号的∑-Δ DAC。∑-Δ变换有时根据采用的具体结构称为1比特或多比特变换，本文所描述的∑-Δ DAC采用了1比特变换技术，克服了采用较多比特数时所带来的量化非线性误差、纠错困难的缺点。
　　打个比方来说明如何用1比特替代16或更多比特：传统的阶梯变换器像16个电灯泡，连接到各自的开关上，每个都有不同的亮度，用各种组合方式可以得到216（即65536）种不同的亮度。然而，灯泡间的亮度差会引入误差，某种组合也并不总是能够产生所要求的亮度。1比特变换技术采用完全不同的方法，不用那么多灯泡和开关，只用一个灯泡和一个开关。房间亮度的变化可以通过简单的改变开、关灯泡的次数来得到。如果灯泡开的次数增加，房间的亮度就会增加。
　　∑-Δ变换是将信号按时间分割，保持信号幅度恒定。它用高电平或低电平的脉冲表示信号，例如可以采用脉冲密度调制（PDM），如图1所示恒定幅度的脉冲信号，不论电平高或低都能够重建输出信号波形。

图1 脉冲密度调制
　　2  ∑-Δ DAC的结构
　　传统的应用电流模技术的DAC当位数达到10位以上时，要在某一温度范围保持非常困难。本文的∑-Δ DAC运用了数字技术，因此与电流模DAC相比，不受温度变化的影响，且能在可编程逻辑器件如FPGA中实现。∑-Δ DAC实际上是高速1位DAC，应用数字反馈技术从输入二进制数字量产生等幅的脉冲串，脉冲串的平均占空比与输入二进制数字量成正比，脉冲串再通过一RC模拟低通滤波器就能重建模拟波形。∑-Δ DAC非常适合于低频、高的应用，尤其在数字音频领域应用广泛。
　　作为例子，本文中所描述的∑-Δ DAC的二进制8位输入数字量是无符号数，模拟输出电压值都是正值。输入“00000000”产生输出电压0V，“11111111”产生输出电压的值Vmax，Vmax非常接近VCCO，其中VCCO是FPGA芯片I/O端口的供电电压。

　　图2  ∑-Δ DAC的内部结构图
       术语“∑-Δ”分别代表算术和与差，都可用二进制加法器来产生。虽然Δ加法器的输入是无符号数，但Δ和∑两加法器的输出被看作有符号数。Δ加法器用来计算DAC输入与当前DAC输出之间的差值。由于DAC的输出只有一位，非0即1，即全0或全1。如图2 ∑-Δ DAC的结构图所示，Δ加法器的另一个输入值由∑锁存器位L[9]的两个拷贝后面跟8个0产生，这也弥补了DAC输入值是无符号数的问题。∑加法器将它的上输出（已经保存在∑锁存器）与Δ加法器的当前输出求和。
　　3 ∑-Δ DAC的FPGA实现
　　如图2所示，∑-Δ DAC的内部仅由2个10位的二进制加法器，1个10位的锁存器和一个D触发器组成，用FPGA实现时只需耗费极少的逻辑资源，即使用最小的FPGA也能实现，本文采用了Xilinx Virtex FPGA，图3给出了FPGA实现的顶层原理图。输入信号有8位宽的二进制数字量DACin[7:0]、时钟信号CLK和复位信号Reset；输出信号为等幅脉冲串DACout，通过一个驱动缓冲器OBUF_F_24（是Xilinx FPGA特有的SelectI/O资源，OBUF表示输出缓冲器，F表示它的转换速率快，24表示它的驱动能力即输出驱动电流是24MA，基于LVTTL I/O标准）驱动FPGA外部的模拟R

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