CN102394653A - 数模转换器及数模转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数模转换器及数模转换方法，涉及数字信号处理技术领域，所述数模转换器的结构为一颗具有n+1层的完全二叉树，所述完全二叉树的根节点与一个n+1位数字信号数据的输入端连接，所述完全二叉树具有2ⁿ个叶节点、且每个叶节点均为一个1位DAC单元，所述完全二叉树中除叶节点外的其他节点均为编码子模块，所述2ⁿ个叶节点的输出端均与累加器连接。本发明所采用的数模转换器和基于该数模转换器的方法中的DEM编码转换方案，不仅减少了数模转换方法中过多的开关跳变，达到了减小动态误差的效果；还使得DEM编码的输出具有一定的随机性，能将失配引起的失真转换为噪声。

Description

数模转换器及数模转换方法

技术领域

本发明涉及数字信号处理技术领域，特别涉及一种数模转换器及数模转换方法。

背景技术

由于生产工艺的偏差和工作温度、电压的不一致，芯片元件(比如晶体管尺寸、阈值电压和电阻阻值等)会出现失配，这会严重影响系统的性能，尤其是线性度。DEM(Dynamic Element Matching，动态元素匹配)编码方法能够将元件失配引起的失真转化为噪声，从而有效提高系统的线性度，因而广泛应用于各种结构的ADC和DAC中。图1是传统的包含DEM模块的数模转换器(DAC)的工作原理图。如图1所示，DAC的数字输入经过DEM模块编码后，输出M个数字位(图1中C₁到C_M)，所述M个数字位分别经过一个1位子DAC转换为M个子模拟输出(图1中y₁到y_M)，所述M个子模拟输出合成最终的模拟输出(图1中y)。

然而，传统DEM编码方法(比如，Full Random DEM，FRDEM)会急剧增大每采样周期跳变的开关数，而过多的开关跳变会导致较大的动态误差(开关跳变不同步、时钟馈通等)，这也会影响系统的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何减少数模转换方法中过多的开关跳变，以减小动态误差。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种数模转换器，所述数模转换器的结构为一颗具有n+1层的完全二叉树，所述完全二叉树的根节点与一个n+1位数字信号数据的输入端连接，所述完全二叉树具有2ⁿ个叶节点、且每个叶节点均为一个1位DAC单元，所述完全二叉树中除叶节点外的其他节点均为编码子模块，所述2ⁿ个叶节点的输出端均与累加器连接。

优选地，所述完全二叉树中除叶节点外的每一个节点分别与一个线性反馈移位寄存器对应连接，由所述线性反馈移位寄存器控制与其对应的节点的输出。

本发明还公开了一种基于所述的数模转换器的数模转换方法，所述方法包括DEM编码转换方案，

其中，所述DEM编码转换方案包括以下步骤：

S1：输入n位数字信号数据，在所述n位输入的数字信号数据的末尾增加一位数字码“0”，以构成n+1位数字信号数据；

S2：每一个编码子模块将输入的i+1位数字信号数据的前i-1位数字码作为基础，将后两位数字码分别增加至所述前i-1位数字码的末尾，以生成两组数字信号数据、并分别称为第一数字信号数据和第二数字信号数据，所述第一数字信号数据为所述两组数字信号数据中包括了所述i+1位数字信号数据的最后一位数字码的那一组数据；

S3：将当前编码子模块的两组数据和当前编码子模块上一次的两组数据进行比较，若均大于等于或均小于等于上一次的两组数据，则通过与所述当前编码子模块对应的线性反馈移位寄存器内的随机码控制第一数字信号数据和第二数字信号数据与当前编码子模块的左孩子和右孩子之间的对应关系，否则，将该两组数据与上一次的两组数据进行对应输出。

优选地，步骤S3中通过随机码控制第一数字信号数据和第二数字信号数据与当前编码子模块的左孩子和右孩子之间的对应关系具体为：当随机码等于1时，将第一数字信号数据通过当前编码子模块的左孩子进行输出，并将第二数字信号数据通过当前编码子模块的右孩子进行输出，当随机码等于0时，将随机码等于1时的输出对应关系互换。

优选地，步骤S3中将该两组数据与上一次的两组数据进行对应输出，其具体为：

当出现 $\left\{\begin{array}{c}A=C\\ B=D\\ A\≠B\end{array}\right.$ 时，则表明A和C对应，B和D对应，将A直接由C所对应的节点进行输出，将B直接由D所对应的节点进行输出，其中，C为上一次在当前编码子模块的左孩子输出的数字信号数据，D为上一次在当前编码子模块的右孩子输出的数字信号数据，A和B分别为当前编码子模块的第一数字信号数据和第二数字信号数据。

(三)有益效果

本发明所采用的数模转换器和基于该数模转换器的方法中的DEM编码转换方案，不仅减少了数模转换方法中过多的开关跳变，达到了减小动态误差的效果；还使得DEM编码的输出具有一定的随机性，能将失配引起的失真转换为噪声。

附图说明

图1是传统的数模转换器的结构示意图；

图2是按照本发明一种实施方式的数模转换器的结构示意图；

图3是基于图2所示的数据转换器的数据转换方法的流程图；

图4是图2所示的数据转换器中的编码子模块的结构示意图；

图5是图4所示的编码子模块中用于获得标识位“S”的判断电路；

图6是图5所示的判断电路中的比较器的结构示意图；

图7是采用图2所示的数模转换器的DEM输出结果示意图；

图8是采用图2所示的数模转换器的电路静态特性的积分非线性分布直方图；

图9是采用图2所示的数模转换器的电路静态特性的差分非线性分布直方图；

图10是采用图2所示的数据转换器的无杂散动态范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图2是按照本发明一种实施方式的数模转换器的结构示意图，所述数模转换器的结构为一颗具有n+1层的完全二叉树，所述完全二叉树的根节点与一个n+1位数字信号数据的输入端连接，所述完全二叉树具有2ⁿ个叶节点、且每个叶节点均为一个1位DAC单元，所述完全二叉树中除叶节点外的其他节点S_i，j均为编码子模块，所述2ⁿ个叶节点的输出端均与累加器连接。

优选地，所述完全二叉树中除叶节点外的每一个节点S_i，j分别与一个线性反馈移位寄存器对应连接，由所述线性反馈移位寄存器控制与其对应的节点的输出。

本发明还公开了一种基于所述的数模转换器的数模转换方法，所述方法包括DEM编码转换方案，

其中，如图3所示，所述DEM编码转换方案包括以下步骤：

S1：输入n位数字信号数据(所述数字信号数据为二进制)，在所述n位输入的数字信号数据的末尾增加一位数字码“0”，以构成n+1位数字信号数据；对于n位的数字信号数据x[n](x_n-1，x_n-2，…x₁，x₀)，将其最后一位增加一个数字码“0”，即变为n+1为数字输入码((x_n-1，x_n-2，…x₁，x₀，0)。

S2：每一个编码子模块将输入的i+1位数字信号数据的前i-1位数字码作为基础，将后两位数字码分别增加至所述前i-1位数字码的末尾，以生成两组数字信号数据、并分别称为第一数字信号数据和第二数字信号数据，所述第一数字信号数据为所述两组数字信号数据中包括了所述i+1位数字信号数据的最后一位数字码的那一组数据；参照图2，将前面得到的i+1位数字信号送入编码子模块S_i，j中作为输入信号(i为完全二叉树的形结构编码的级数，也即当前编码子模块S_i，j的输入数据的位数n；j为当前级的第j个模块)。每个编码子模块都有一个i+1位的二进制码输入，和两个i位的二进制码输出。每个编码子模块的两个输出送入两个次级的编码子模块(分别为当前编码子模块S_i，j的左孩子和右孩子)。整体来看就是将一个n+1位的二进制输入编码转化为2ⁿ个1位的二进制输出编码。每个1位的二进制输出接一个1位的DAC，将所有的1位的DAC的输出求和得到最终的模拟输出信号。

S3：将当前编码子模块的两组数据和当前编码子模块上一次的两组数据进行比较，若均大于等于或均小于等于上一次的两组数据，则通过与所述当前编码子模块对应的线性反馈移位寄存器内的随机码控制第一数字信号数据和第二数字信号数据与当前编码子模块的左孩子和右孩子之间的对应关系，否则，将该两组数据与上一次的两组数据进行对应输出；

每个编码子模块可以存储上一次的输入和输出的结果(初始状态下都预设为0)；当前编码子模块S_i，j将i+1位的数字信号(Y_i，Y_i-1，…Y₂，Y₁，Y₀)转变为两个i位的数字信号(Y_i，Y_i-1，…Y₂，Y₁，)和(Y_i，Y_i-1，…Y₂，Y₀)，即这两个数字信号的前i-1位相同，最后一位分别是Y₁和Y₀；然后将这两个新的i位信号与上一次的输出作比较：如果两个新的i位信号同时都大于等于或者都小于等于上一次的两个输出，那两个新的i位信号随机作为两个输出，由随机码r_i，j控制，即若r_i，j＝1，(Y_i，Y_i-1，…Y₂，Y₁，)作为与S_i-1，2j-1相连的输出，(Y_i，Y_i-1，…Y₂，Y₀)作为与S_i-1，2j相连的输出，若r_i，j＝0，则交换输出。由于两个输出的i位信号只有最后一位不同，因此如果两个新的i位信号不能同时大于等于或者小于等于上一次的两个输出，则必然会满足两个新的i位信号分别等于上一次的两个输出，由此将两个新的i位信号作为对应的新的输出。

优选地，步骤S3中通过随机码控制第一数字信号数据和第二数字信号数据与当前编码子模块的左孩子和右孩子之间的对应关系具体为：当随机码等于1时，将第一数字信号数据通过当前编码子模块的左孩子进行输出，并将第二数字信号数据通过当前编码子模块的右孩子进行输出，当随机码等于0时，将随机码等于1时的对应输出关系互换。

优选地，步骤S3中将该两组数据与上一次的两组数据进行对应输出，其具体为：

当出现 $\left\{\begin{array}{c}A=C\\ B=D\\ A\≠B\end{array}\right.,$ 则表明A和C对应，B和D对应，将A直接由C所对应的节点进行输出，将B直接由D所对应的节点进行输出，其中，C为上一次在当前编码子模块的左孩子输出的数字信号数据，D为上一次在当前编码子模块的右孩子输出的数字信号数据，A和B分别为当前编码子模块的第一数字信号数据和第二数字信号数据。

所述编码子模块可由如图4所示的门电路组成，其中，“A[i-1:0]”即为第二数字信号数据，“B[i-1:0]”即为第一数字信号数据，“C[i-1:0]”即为上一次在当前编码子模块的左孩子输出的数字信号数据，“D[i-1:0]”即为上一次在当前编码子模块的右孩子输出的数字信号数据，“r”即为与该编码子模块对应的线性反馈移位寄存器内的随机码，“～r”即为“r”取反后的值，“S”即为用来进行判断的标识位(即实现步骤S3中判断步骤的标识位)，“～S”即为“S”取反后的值，标识位“S”可通过图5所示的判断电路获得，图5中的比较器可通过图6所示的比较电路来实现，比较思路为：从最高位开始取两路数据的异或，若不为1，继续比较下一位；若为1，则输出其中一个最高位，比如B[i-1]，，然后取反，若输出为1，则表示A＞＝B；最终得到＞＝和＜＝的比较结果。

图7是采用图2所示的数模转换器的DEM输出结果示意图，左侧一列为输入数据，中间U0～U7对应方框表示输出的序列，右侧的r_1，1～r_3，1对应的方框为各个线性反馈移位寄存器内的随机码。按照前面编码方法的结构所得到的输出序列的行为可以大致总结为，如果输入的数据比前一个数据增加，那么在输出序列中，原先是“1”的位不变，其他是“0”的位中有一部分随机的增加至“1”，从而满足输入数据；如果输入的数据比前一个数据减少，原先是“0”的位不变，其他是“1”的位中有一部分随机的减少至“0”，从而满足输入数据。比如最开始的输入是5，输出的序列依次是10110110；下一次的输入是7输出序列依次是11111110；下一次的输入是4，输出序列依次是01010110；接着的输入是2，输出序列依次是00010010，以此类推。这种编码的特点可以使得每次输入变化的时候，输出为“1”的位的数量只增加或者只减少，最大限度的减小因为各个输出的位的延迟而造成输出的数据出现动态误差。

通过Matlab建模仿真电流源静态失配对6位DAC性能的影响。图8是采用图2所示的数模转换器的电路静态特性的积分非线性分布直方图；图9是采用图2所示的数模转换器的电路静态特性的差分非线性分布直方图；我们将电流源标准差置为10％，采用随机的误差分布，仿真100次，得出采用本发明实施例所述用于电流舵DAC的DEM编码方法的DAC的静态特性。

图10是采用图2所示的数据转换器的无杂散动态范围示意图我们将采样频率设为300MHz，仿真得出采用本发明实施例所述用于电流舵DAC的DEM编码方法的DAC的输入频率为50MHz时的SFDR特性如图10所示。

上述仿真结果表明，本发明的数据转换方法，不仅有很好的静态特性也很好的SFDR(Spurious Free Dynamic range，无杂散动态范围)特性。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种数模转换器，其特征在于，所述数模转换器的结构为一颗具有n+1层的完全二叉树，所述完全二叉树的根节点与一个n+1位数字信号数据的输入端连接，所述完全二叉树具有2ⁿ个叶节点、且每个叶节点均为一个1位DAC单元，所述完全二叉树中除叶节点外的其他节点均为编码子模块，所述2ⁿ个叶节点的输出端均与累加器连接。

2.如权利要求1所述的转换器，其特征在于，所述完全二叉树中除叶节点外的每一个节点分别与一个线性反馈移位寄存器对应连接，由所述线性反馈移位寄存器控制与其对应的节点的输出。

3.一种基于权利要求1～2中任一项所述的数模转换器的数模转换方法，其特征在于，所述方法包括DEM编码转换方案，

其中，所述DEM编码转换方案包括以下步骤：

S1：输入n位数字信号数据，在所述n位输入的数字信号数据的末尾增加一位数字码“0”，以构成n+1位数字信号数据；

S2：每一个编码子模块将输入的i+1位数字信号数据的前i-1位数字码作为基础，将后两位数字码分别增加至所述前i-1位数字码的末尾，以生成两组数字信号数据、并分别称为第一数字信号数据和第二数字信号数据，所述第一数字信号数据为所述两组数字信号数据中包括了所述i+1位数字信号数据的最后一位数字码的那一组数据；

S3：将当前编码子模块的两组数据和当前编码子模块上一次的两组数据进行比较，若均大于等于或均小于等于上一次的两组数据，则通过与所述当前编码子模块对应的线性反馈移位寄存器内的随机码控制第一数字信号数据和第二数字信号数据与当前编码子模块的左孩子和右孩子之间的对应关系，否则，将该两组数据与上一次的两组数据进行对应输出。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中通过随机码控制第一数字信号数据和第二数字信号数据与当前编码子模块的左孩子和右孩子之间的对应关系具体为：当随机码等于1时，将第一数字信号数据通过当前编码子模块的左孩子进行输出，并将第二数字信号数据通过当前编码子模块的右孩子进行输出，当随机码等于0时，将随机码等于1时的输出对应关系互换。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3中将该两组数据与上一次的两组数据进行对应输出，其具体为：

当出现 $\left\{\begin{array}{c}A=C\\ B=D\\ A\≠B\end{array}\right.$ 时，则表明A和C对应，B和D对应，将A直接由C所对应的节点进行输出，将B直接由D所对应的节点进行输出，其中，C为上一次在当前编码子模块的左孩子输出的数字信号数据，D为上一次在当前编码子模块的右孩子输出的数字信号数据，A和B分别为当前编码子模块的第一数字信号数据和第二数字信号数据。

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