CN101729074B - 一种西格玛-德尔塔模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种西格玛-德尔塔模数转换器，所述转换器包含第1和第2加法器、第1和第2积分器、第1量化器、第1DA转换器的第一级西格玛-德尔塔调制电路；包含第3和第4加法器、第3和第4积分器、第2量化器、第2DA转换器的第二级西格玛-德尔塔调制电路；对所述第一级西格玛-德尔塔调制电路和第二级西格玛-德尔塔调制电路进行噪声整形的噪声整形电路，所述噪声整形电路将第所述第1量化器输出的数字信号进行积分和比例变换，并将第2量化器输出的数字信号进行比例变换，并将变换后的信号相加输出。该转换器通过将两级∑-Δ调制电路输出的信号进行噪声整形，消除了第一级∑-Δ调制电路的量化噪声，并且可以提高SNR(信噪比)，减小总谐波失真。

Description

一种西格玛-德尔塔模数转换器

技术领域

本发明涉及用于音频功放领域以及信号通讯等领域的西格玛-德尔塔(∑-Δ)型模拟-数字(AD)转换器，尤其涉及到一种含两阶或其以上的∑-Δ调制电路进行级联的∑-Δ模数转换器。

背景技术

随着超大规模集成电路的速度越来越快，集成度越来越高，∑-Δ调制作为一种实现高分辨率模拟数字(A/D)转换的有效途径，越来越受到关注。∑-Δ型AD转换器在一个或多个反馈环中进行粗略量化，通过在一个比信号带宽大得多的频率上进行采样，反馈环路就可以对量化噪声进行调制，从而把大部分噪声移到信号带宽外。∑-Δ型AD转换器在以极高的重复采样速率将模拟信号数字化的同时，完成将噪声推向高频区的噪声整形，并在噪声整形后进行数字滤波。但是现有的∑-Δ型AD转换器无法消除第一级∑-Δ调制电路的量化噪声，从而引起谐波失真比较大，精度比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种总谐波失真小的，精度高西格玛-德尔塔模数转换器。

本发明是这样实现的，一种西格玛-德尔塔模数转换器，该转换器包括：包含第1和第2加法器、第1和第2积分器、第1量化器、第1DA转换器的第一级西格玛-德尔塔调制电路；

包含第3和第4加法器、第3和第4积分器、第2量化器、第2DA转换器的第二级西格玛-德尔塔调制电路；

对所述第一级西格玛-德尔塔调制电路和第二级西格玛-德尔塔调制电路进行噪声整形的噪声整形电路，其中所述噪声整形电路包括积分器9、运算器11、积分器10、积分器15、加法器26、运算器25和加法器27，积分器9对量化器8输出的数字信号进行积分，将经过积分的数字信号引入一个传递函数1/A(Z)，其输出的信号分成两路，一路信号输入到运算器11，运算器11是对从积分器10输出的数字信号进行比例变换的装置，将其信号变成k3倍，输入到积分器15。另一路信号输入到加法器26，运算器25是对从量化器22输出的数字信号进行比例变换的装置，它使从量化器22输出的数字信号变成k2倍，输入到加法器26，加法器26将另一路信号与从运算器25输出的信号相加。加法器27将加法器26输出的信号与积分器15输出的信号相加，供给输出端子30；

所述第1加法器从由外部输入的模拟信号中减去所述第1DA转换器输出的模拟信号；

所述第1积分器对所述第1加法器输出的模拟信号进行积分；

所述第2加法器从所述第1积分器输出的模拟信号中减去所述第1DA转换器输出的模拟信号；

所述第2积分器对所述第2加法器输出的模拟信号进行积分；

所述第1量化器输出与所述第2积分器输出的模拟信号相应的数字信号；

所述第1DA转换器输出与所述第1量化器输出的数字信号相应的模拟信号，将其输入到所述第1和第2加法器；

所述第3加法器从所述第2积分器输出的模拟信号中减去所述第2DA转换器输出的模拟信号；

所述第3积分器对所述第3加法器输出的模拟信号进行积分；

所述第2量化器输出与所述第4积分器输出的模拟信号相应的数字信号；

所述第2DA转换器输出与所述第2量化器输出的数字信号相应的模拟信号，将其输入到所述第3和第4加法器；

所述噪声整形电路将第所述第1量化器输出的数字信号进行积分和比例变换，并将第2量化器输出的数字信号进行比例变换，并将变换后的信号相加输出。

本发明提供的西格玛-德尔塔模数转换器采用两个∑-Δ调制电路级联连接，通过将前面的2次∑-Δ调制电路的量化器的输入端直接与下一级的2次∑-Δ调制电路连接，通过本发明提供的结构，消除了第一级∑-Δ调制电路的量化噪声，可以提供高SNR(信噪比)，总谐波失真小的西格玛-德尔塔模数转换器。

附图说明

图1是本发明实施例的西格玛-德尔塔模数转换器的结构示意图；

图2是本发明实施例的积分器的结构图；

图3是本发明实施例仿真输出的频谱图；

图4是本发明实施例输出信号总谐波失真示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的西格玛-德尔塔模数转换器的结构示意图，该∑-Δ型AD转换器具有将两级2次∑-Δ调制电路级联连接的结构，以下依据图进行说明，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

在图1中，标号1表示输入端子，标号2、5、16、19、26、27分别表示加法器，标号3、6、11、12、13、14、17、20、23、24、25分别表示运算器，标号4、7、9、15、18、21分别表示积分器，标号8、22分别表示量化器，标号10表示积分器，标号28、29表示数字-模拟(DA)转换器，标号30表示输出端子。

加法器2将由输入端子1输入的模拟信号减去由DA转换器28输出的模拟信号，积分器4对从加法器2输出的模拟信号进行积分。加法器5从由积分器4输出的模拟信号中减去由DA转换器28输出的模拟信号。积分器7对从加法器5输出的模拟信号进行积分。量化器8输出与从积分器7输出的模拟信号对应的数字信号。DA转换器28输出与量化器8的数字信号相应的模拟信号，并将其输入到加法器2、5。运算器3是对从加法器2输出的模拟信号进行比例变换的装置，它使从加法器2输出的模拟信号变成a1倍，输入到积分器4。运算器6是对从加法器5输出的模拟信号进行比例变换的装置，它使从加法器5输出的模拟信号变成a3倍，输入到积分器7。运算器12是决定从量化器8向加法器2的模拟反馈量的装置，它使DA转换器28输出的模拟信号变成b1倍，输入到加法器2。运算器13是决定从量化器8向加法器5的模拟反馈量的装置，它使DA转换器28输出的模拟信号变成b2倍，输入到加法器5。第一级∑-Δ调制电路A1由以上结构构成。

运算器14是对从积分器7输出的模拟信号进行比例变换的装置，它使从积分器7输出的模拟信号变成k倍，输入到加法器16。加法器16从由运算器14输出的模拟信号中减去由DA转换器29输出的模拟信号，积分器18对从加法器16输出的模拟信号进行积分。加法器19从由积分器18输出的模拟信号中减去由DA转换器29输出的模拟信号。积分器21对从加法器19输出的模拟信号进行积分。量化器22输出与从积分器21输出的模拟信号对应的数字信号。DA转换器29输出与量化器22的数字信号相应的模拟信号，并将其输入到加法器16、19。运算器17是对从加法器16输出的模拟信号进行比例变换的装置，它使从加法器16输出的模拟信号变成c1倍，输入到积分器18。运算器20是对从加法器19输出的模拟信号进行比例变换的装置，它使从加法器19输出的模拟信号变成c3倍，输入到积分器21。运算器23是决定从量化器22向加法器16的模拟反馈量的装置，它使DA转换器29输出的模拟信号变成d1倍，输入到加法器16。运算器24是决定从量化器22向加法器19的模拟反馈量的装置，它使DA转换器29输出的模拟信号变成c2倍，输入到加法器19。第二级∑-Δ调制电路A2由以上结构构成。

积分器9对量化器8输出的数字信号进行积分，将经过积分的数字信号引入一个传递函数1/A(Z)，其输出的信号分成两路，一路信号输入到运算器11，运算器11是对从积分器10输出的数字信号进行比例变换的装置，将其信号变成k3倍，输入到积分器15。另一路信号输入到加法器26，运算器25是对从量化器22输出的数字信号进行比例变换的装置，它使从量化器22输出的数字信号变成k2倍，输入到加法器26。加法器26将另一路信号与从运算器25输出的信号相加。加法器27将加法器26输出的信号与积分器15输出的信号相加，供给输出端子30。噪声整形电路A3由以上结构构成。

在如上结构中，∑-Δ型AD转换器以如下方式工作，即，在第一级∑-Δ调制电路A1中，由加法器2从输入端子1输入的模拟信号减去用运算器12使DA转换器28输出的模拟信号变成b1倍的信号。加法器2输出的模拟信号在用运算器3成为a1倍后，被积分器4积分。

由加法器5从积分器4输出的模拟信号中减去用运算器13使DA转换器28输出的模拟信号成为a2倍的信号。加法器5输出的模拟信号在用运算器6成为a3倍后，被积分器7积分。

积分器7的输出信号被量化器8进行模拟-数字转换，输出到积分器9。

积分器7的输出信号被施加至第二级∑-Δ调制电路A2，这时，积分器7的输出信号被运算器14进行了比例运算，即，积分器7的输出信号的电压电平被运算器14变为k倍。然后由加法器16从用运算器14进行了比例运算的模拟信号中减去用运算器23使DA转换器29的模拟输出信号变成d1倍的信号，加法器16输出的模拟信号被运算器17变成c1倍后，被积分器18积分。

由加法器19从积分器18输出的模拟信号中减去用运算器24使DA转换器29输出的模拟信号成为c2倍的信号。加法器19输出的模拟信号被运算器20变成c3倍后，被积分器21积分。积分器21的输出信号被量化器22进行模拟-数字转换，输出到运算器25。

将量化器8输出的数字信号输入到积分器9中，将经过积分后的数字信号输入到积分器10中，将经过积分器10后输出的信号分成两路，一路信号被运算器21变成k3倍后，输入到积分器15，被积分器15积分。加法器26将量化器22输出的数字信号被运算器25变成k2倍后的信号与将经过积分器10后输出的另一路信号相加，加法器27将由积分器15输出的信号与加法器26输出的信号相加，从输出端子30输出。

如上所述，从输入端子1到量化器8的输出端构成了2次第一级∑-Δ调制电路A1。另外，从运算器14的输入端到量化器22的输出端构成了2次第二级∑-Δ调制电路A2。从积分器9的输入端和运算器25的输入端到加法器27的输出端构成了噪声整形电路A3。

设第一级∑-Δ调制电路A1的输入为X，输出为Y1，第二级∑-Δ调制电路A2的输出为Y2，在输出端子30上呈现的输出为Y，量化器8的量化噪声为E1，量化器22的量化噪声为E2，运算器3、6、11、12、13、14、17、20、23、24、25的增益系数分别为a1、a3、k3、b1、a2、k、c1、c3、d1、c2、k2，则第一级∑-Δ调制电路A1的输出Y1可用下面的式(1)表示：

Y₁＝a₁a₃/{(z-b)²+a₂a₃(z-b)+a₁a₃b₁}X+(z-b)²/{(z-b)²+a₂a₃(z-b)+a₁a₃b₁}E₁

                                                                 ……(1)

另外，第二级∑-Δ调制电路A2的输出Y2可用下面的式(2)表示：

Y₂＝(a₁a₃)²K/{(z-b)²+a₂a₃(z-b)+a₁a₃b₁}²X-(a₁a₃)²Kb₁/{(z-b)²+a₂a₃(z-b)+a₁a₃b₁}²E₁-a₁a₂a₃ ²(z-b)K/{(z-b)²+a₂a₃(z-b)+a₁a₃b₁}²E₁+(z-b)²/{(z-b)²+a₂a₃(z-b)+a₁a₃b₁}E₂

                                                                 ……(2)

经噪声整形电路A3后，输出信号Y有表示如(3)

Y＝a₁/{a₂(z-b)²A(z)}X+(z-b)²K₂/A(z)E₂                            ……(3)

其中噪声整形电路中参数设置为

A(z)＝(z-b)²+a₂a₃(z-b)+a₁a₃b₁，K₂＝1/(a₁a₂a₃ ²K)，K ₃＝a₁b₁/a₂；

对于上述级联∑-Δ型AD转换器，量化器8引入的量化噪声E₁并不影响最终输出Y，而量化器22引入的量化噪声E₂在最终输出信号Y中起着至关重要的作用。因而，减少量化噪声E₂，调制器的THD(总谐波失真)将会随之减小，信噪比SNR增大。

如图2所示，其为本发明所用到的积分器，积分器4、7、18、21、9、15所含反馈因子b，其中b为可调的，|b|＜＝1，其目的在于调整积分器4、7、18、21、9、15的输出信号幅度，防止出现量化器过载现象。

实施例一：b＝0.9；a1＝a2＝1；a3＝1.5；b1＝1；c1＝c2＝1；c3＝1.5；d1＝1；k＝4/9。其中通过各参数的匹配，可以消除第一级∑-Δ调制电路的量化噪声，达到较高的信噪比，如3所示，其输出信号的信噪比达到了150dB以上。总谐波失真很小，如图4所示，总谐波失真THD几乎为零。

实施例二：b＝-0.5；a1＝0.1；a2＝0.2；a3＝0.2；b1＝0.5；c1＝0.1；c2＝0.2；c3＝0.2；d1＝0.5；k＝1。

实施例三：b＝-0.3；a1＝0.1；a2＝0.2；a3＝0.2；b1＝0.1；c1＝0.1；c2＝0.2；c3＝0.2；d1＝0.1；k＝1在上述几组数据中，量化器8、22分别为两位量化器与多位量化器情况下，均有较佳实施例。量化器8引入的量化噪声E₁并不影响最终输出Y，而量化器22引入的量化噪声E₂在最终输出信号Y中起着至关重要的作用。因而，减少量化噪声E₂，调制器的THD(总谐波失真)将会随之减小，信噪比SNR增大。

积分器10引入了传递函数1/A(Z)，即有关z的函数A(z)其设置目的在于：在积分器9、15，运算器11、25，加法器26、27共同作用下消去第一级∑-Δ调制电路A1输出信号Y₁与第二级∑-Δ调制电路A2输出信号Y₂中量化器8引入的量化误差E₁，并对量化器22引入的量化误差E₂进一步整形；量化器8、22选取原则在于降低∑-Δ型AD转换器输出信号Y的总谐波失真，使得量化噪声尽可能不影响输出信号Y；可证实选取不同的量化器8、22可以使得未经低通滤波的输出信号总谐波失真降低至0.05％以下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种西格玛-德尔塔模数转换器，其特征在于： 

具备： 

包含第1和第2加法器、第1和第2积分器、第1量化器、第1DA转换器的第一级西格玛-德尔塔调制电路； 

包含第3和第4加法器、第3和第4积分器、第2量化器、第2DA转换器的第二级西格玛-德尔塔调制电路； 

对所述第一级西格玛-德尔塔调制电路和第二级西格玛-德尔塔调制电路进行噪声整形的噪声整形电路，其中所述噪声整形电路包括积分器9、运算器11、积分器10、积分器15、加法器26、运算器25和加法器27，积分器9对量化器8输出的数字信号进行积分，将经过积分的数字信号引入一个传递函数1/A(Z)，其输出的信号分成两路，一路信号输入到运算器11，运算器11是对从积分器10输出的数字信号进行比例变换的装置，将其信号变成k3倍，输入到积分器15 ，另一路信号输入到加法器26，运算器25是对从量化器22输出的数字信号进行比例变换的装置，它使从量化器22输出的数字信号变成k2倍，输入到加法器26，加法器26将另一路信号与从运算器25输出的信号相加 ，加法器27将加法器26输出的信号与积分器15输出的信号相加，供给输出端子30； 

所述第1加法器从由外部输入的模拟信号中减去所述第1DA转换器输出的模拟信号； 

所述第1积分器对所述第1加法器输出的模拟信号进行积分； 

所述第2加法器从所述第1积分器输出的模拟信号中减去所述第1DA转换器输出的模拟信号； 

所述第2积分器对所述第2加法器输出的模拟信号进行积分； 

所述第1量化器输出与所述第2积分器输出的模拟信号相应的数字信号； 

所述第1DA转换器输出与所述第1量化器输出的数字信号相应的模拟信号，将其输入到所述第1和第2加法器； 

所述第3加法器从所述第2积分器输出的模拟信号中减去所述第2DA转换器输出的模拟信号； 

所述第3积分器对所述第3加法器输出的模拟信号进行积分； 

所述第2量化器输出与所述第4积分器输出的模拟信号相应的数字信号； 

所述第2DA转换器输出与所述第2量化器输出的数字信号相应的模拟信号，将其输入到所述第3和第4加法器； 

所述噪声整形电路将第所述第1量化器输出的数字信号进行积分和比例变换，并将第2量化器输出的数字信号进行比例变换，并将变换后的信号相加输出。 

2.如权利要求1所述的西格玛-德尔塔模数转换器，其特征在于：所述的第1、第2、第3和第4积分器为同类的积分器，均带有反馈因子b，其中b满足以下关系式：|b|＜＝1。 

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