CN105207676A - 数模转换器及数模转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数模转换器及数模转换方法。该数模转换器包括：温度计编码器，用于将输入信号转换为温度计码；动态元件匹配DEM模块，用于生成随机数，采用所述随机数对所述温度计码进行随机化；动作单元阵列，用于根据随机化后的温度计码，控制所述动作单元阵列的动作。本发明用以降低状态发生变化的动作单元的数目与输入信号的相关性，提高DAC的动态线性度。
Description
技术领域
本发明涉及微电子领域，尤其涉及一种数模转换器及数模转换方法。
背景技术
数模转换器(DigitaltoAnalogConverter，简称：DAC)被广泛应用于各种电子电路系统中。在DAC的设计过程中，常采用分段结构，分别对数字码流的不同的段进行编码，例如：对于N位的DAC，对N位的数字码流进行编码，将高M位采用温度计编码的编码方式，低N-M位采用二进制编码。如图1所示，为现有技术中6位DAC采用分段结构进行编码时对高4位进行温度计编码的示意图，在该图中，6位DAC的数字码流中的高4位作为输入信号进行温度计编码。图中每个方框表示一个电流单元，方框中的数字表示该电流单元的权重，方框的大小可以直观表示电流单元的权重，阴影的部分表示该电流单元被打开。其中，温度计编码控制15个大小相等权重为4的电流单元，输入信号从0011变为1001，当输入信号为0011时，输入信号值为3，对应地有3个电流单元打开，当输入信号为1001时，输入信号值为9，对应地有9个电流单元打开，所以当输入信号从0011变换为1001时状态发生变化的电流单元有6个，也就是这6个电流单元从关闭状态进入打开状态。
如图2所示，为现有技术的6位DAC中进行温度计编码的结果示意图，在该图中，输入信号中进行温度计编码的电流单元数目为15个，对应0～14的位置，在温度计编码方式下，这15个电流单元根据输入信号的值的不同依次打开或关闭。例如，在该图中，当输入信号的值为3时，依次打开15个电流单元中的前3个，即在位置0～2的3个电流单元，当输入信号的值由3变为7时，依次打开15个电流单元中的前7个，这时，可以得到状态发生变化的电流单元的数目Δ＝(7-3)＝4。同理，当输入信号的值由7变为13时，得到状态发生变化的电流单元的数目Δ＝(13-7)＝6；当输入信号的值由13变为6时，得到状态发生变化的电流单元的数目Δ＝(13-6)＝7。因此，在温度计编码方式中，状态发生变化的电流单元的数目与输入信号相关，且根据输入信号的值依次打开或关闭电流单元。
可以通过对输入信号求微分得到采用温度计编码时状态发生变化的电流单元的数目，具体计算过程如下：
设输入信号DIN为：
DIN＝2N*ULSB*Sin(ω*tn)＝2M*UMSB*Sin(ω*tn)(1)
其中，N为DAC的位数，M为输入信号中采用温度计编码的高位位数，ULSB为最小电流单元的权重，UMSB为高位电流单元的权重，ω为输入正弦信号的角频率，tn为输入信号发生变换的时间。
对输入信号求微分：
DIN’＝2M*ω*UMSB*Cos(ω*tn)(2)
则可以计算得到每次输入变换时状态发生变化的电流单元数目：
Δ＝DIN’/UMSB＝2M*ω*Cos(ω*tn)(3)
由公式(3)可知，Δ是与输入信号同频的正弦信号，而且随着输入信号频率升高、幅度变大，状态发生变化的电流单元的数目越多。
电流单元的状态发生变化时会对电源和地产生单位冲击电流，由于电流单元从打开状态变为关闭状态与从关闭状态变为打开状态产生的单位冲击电流是一样的，所以可以认为这两种情况是等效的，则根据公式(3)可以计算得到电流单元的状态发生变化时产生的冲击电流为：
In＝|2M*ω*Cos(ω*tn)|*A*δ(t-tn)(4)
其中A为单位冲击电流的幅度，δ(t)为冲击函数。由公式(4)可知，DAC中进行温度计编码时，状态发生变化的电流单元产生的冲击电流In实际上为输入信号频率的2倍频，即频率为2ω的信号。
进一步地，对上述图2中的温度计编码的方式中状态发生变化的电流单元的数目做快速傅里叶变换，进行频谱分析，如图3所示，为现有技术中图2所示的状态发生变化的电流单元数目的频谱仿真图，在该图中，横坐标X是信号频率与时钟频率的比值，纵坐标Y为输入信号的幅度，输入信号的幅度的单位是dB。当输入信号频率与时钟频率比为0.1925743时，由于状态发生变化的电流单元对应频率为2ω的信号，所以状态发生变化的电流单元的数目对应的信号频率与时钟频率的比值为0.1925743*2＝0.3852，从图中可以看出，当X＝0.3852时，Y＝0，即：状态发生变化的电流单元的数目对应的信号频率与时钟频率的比值为0.3852时，输入信号的幅度为0dB，所以通过温度计编码后使得DAC中存在频率为2ω的干扰。
因此，在温度计编码方式中，由于状态发生变化的电流单元的数目与输入信号相关，且这种相关性会造成DAC的电源上含有频率为2ω的干扰的冲击电流，而频率为2ω的干扰很容易与输入信号本身产生混频输出3ω的谐波，降低DAC的动态线性度。
发明内容
本发明提供一种数模转换器及数模转换方法，用以降低状态发生变化的动作单元的数目与输入信号的相关性，提高DAC的动态线性度。
本发明提供一种数模转换器，包括：
温度计编码器，用于将输入信号转换为温度计码；
动态元件匹配DEM模块，用于生成随机数，采用所述随机数对所述温度计码进行随机化；
动作单元阵列，用于根据随机化后的温度计码，控制所述动作单元阵列的动作。
本发明还提供一种数模转换方法，包括：
将输入信号转换为温度计码；
生成随机数，采用所述随机数对所述温度计码进行随机化；
根据随机化后的温度计码，控制动作单元阵列的动作。
在本发明中，通过温度计编码器将输入信号转换为温度计码，动态元件匹配(DynamicElementMatching，简称：DEM)模块生成随机数，采用该随机数对温度计码进行随机化，动作单元阵列根据随机化后的温度计码控制该动作单元阵列的动作。这样，将温度计码进行随机化，可以随机打开或关闭动作单元，从而得到的状态发生变化的动作单元的数目也就是随机的，因此，改变了动作单元的打开顺序，不再像温度计编码那样根据输入信号的值依次打开或关闭动作单元，使得动作单元的状态随机发生变化，从而降低状态发生变化的动作单元的数目与输入信号的相关性，进而减少频率为2ω的干扰，提高DAC的动态线性度。
附图说明
图1为现有技术中6位DAC采用分段结构进行编码时对高4位进行温度计编码的示意图；
图2为现有技术的6位DAC中进行温度计编码的结果示意图；
图3为现有技术中图2所示的状态发生变化的电流单元数目的频谱仿真图；
图4为本发明数模转换器第一实施例的结构示意图；
图5为本发明数模转换方法第一实施例的流程示意图；
图6为本发明数模转换器第二实施例的结构示意图；
图7为本发明数模转换方法第二实施例的流程示意图；
图8为本发明数模转换器第二实施例中DEM模块42对温度计码进行随机化的动作单元变化示意图；
图9为本发明数模转换器第三实施例的结构示意图；
图10为本发明数模转换方法第三实施例的流程示意图；
图11为本发明数模转换器第三实施例中DEM模块42对温度计码进行随机化的一种动作单元变化示意图；
图12为本发明数模转换器第三实施例中DEM模块42对温度计码进行随机化的一种动作单元变化对应的状态发生变化的动作单元数目的频谱仿真图；
图13为本发明数模转换器第三实施例中DEM模块42对温度计码进行随机化的另一种动作单元变化示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。
如图4所示，为本发明数模转换器第一实施例的结构示意图，该数模转换器可以包括：温度计编码器41、DEM模块42和动作单元阵列43，DEM模块42与温度计编码器41连接，动作单元阵列43与DEM模块42连接。
在本实施例中，温度计编码器41用于将输入信号转换为温度计码；DEM模块42用于生成随机数，采用随机数对温度计码进行随机化，具体地，根据生成的随机数，将温度计码随机化，随机打开或关闭温度计编码器进行温度计编码时控制的动作单元，随机得到状态发生变化的动作单元的数目；动作单元阵列43用于根据随机化后的温度计码，控制动作单元阵列的动作。
可选地，在本实施例中，动作单元阵列43可以为电容阵列、电阻阵列或电流单元阵列，具体可以根据DAC的类型决定。无论动作单元阵列43具体为哪一种类型的阵列，采用本实施例中的数模转换器对输入信号进行处理的原理都是一样的。
本实施例的工作过程如下：如图5所示，为本发明的数模转换方法第一实施例的流程示意图，该方法具体可以包括如下步骤：
步骤51、温度计编码器41将输入信号转换为温度计码；
步骤52、DEM模块42生成随机数，采用随机数对温度计码进行随机化；
具体地，DEM模块42可以根据生成的随机数，将温度计码随机化，随机打开或关闭温度计编码器进行温度计编码时控制的动作单元，随机得到状态发生变化的动作单元的数目；
步骤53、动作单元阵列43根据随机化后的温度计码，控制动作单元阵列的动作。
在本实施例中，通过温度计编码器41将输入信号转换为温度计码，DEM模块42生成随机数，采用该随机数对温度计码进行随机化，动作单元阵列43根据随机化后的温度计码控制动作单元阵列43的动作。这样，将温度计码进行随机化，可以随机打开或关闭动作单元，从而得到的状态发生变化的动作单元的数目也就是随机的，因此，改变了动作单元的打开顺序，不再像温度计编码那样根据输入信号的值依次打开或关闭动作单元，使得动作单元的状态随机发生变化，从而降低状态发生变化的动作单元的数目与输入信号的相关性，进而减少频率为2ω的干扰，提高DAC的动态线性度。
可选地，在本实施例中，该数模转换器可以用于对6位的数字码流进行数模转换，输入信号为6位数字码流的高4位。这与图1中采用分段结构进行编码的DAC的编码结构类似，通过本实施例的数模转换器，温度计编码器41将数字码流中的高4位作为输入信号转换为温度计码，然后在DEM模块42中对温度计码进行随机化，得到随机打开或关闭的动作单元对应的温度计码。
如图6所示，为本发明数模转换器第二实施例的结构示意图，在第一实施例的基础上，DEM模块42具体可以包括：第一随机数生成单元61和第一随机化单元62，第一随机数生成单元61与第一随机化单元62连接，第一随机化单元62与温度计编码器41连接，动作单元阵列43与第一随机化单元62连接。其中，第一随机数生成单元61用于生成表示温度计码起始位置的随机数；第一随机化单元62用于采用上述随机数，对温度计码的起始位置进行随机化，温度计码为连续排列，也就是说，第一随机化单元62根据随机数选取温度计码的起始位置，然后根据这个随机的起始位置将温度计码依次排列。这样按照温度计码得到打开的动作单元是连续排列的，但是由于起始的动作单元是随机的，所以在该实施例中是通过部分随机来对温度计码进行随机化的。
本实施例的工作过程如下：如图7所示，为本发明数模转换方法第二实施例的流程示意图，该方法在图5所示的方法的基础上，步骤52具体可以包括以下步骤：
步骤71、第一随机数生成单元61生成表示温度计码起始位置的随机数；
步骤72、第一随机化单元62采用随机数，对温度计码的起始位置进行随机化，温度计码为连续排列；
这里，第一随机化单元62根据随机数选取温度计码的起始位置，然后根据这个随机的起始位置将温度计码依次排列。
如图8所示，为本发明数模转换器第二实施例中DEM模块42对温度计码进行随机化的动作单元变化示意图，在该图中，具体是以6位DAC为例进行说明的。与图2所示的温度计编码的动作单元变化不同，在该图中，在输入信号的值为3时，对应第一随机数生成单元61生成的随机数为0，则可以确定温度计码起始位置为0，即打开的动作单元的起始位置为位置0，然后根据该起始位置连续排列温度计码，也就是依次打开3个动作单元；当输入信号的值由3变为7时，对应第一随机数生成单元61生成的随机数变为4，则可以确定此时要打开的动作单元的起始位置为位置4，则从位置4处的动作单元开始，连续排列温度计码，也就是依次打开7个动作单元，这时，由图中可以得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝10。同理，当输入信号的值由7变为13时，对应第一随机数生成单元61生成的随机数变为1，则可以确定此时要打开的动作单元的起始位置为位置1，则从位置1处的动作单元开始，需要依次打开13个动作单元，得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝6；当输入信号的值由13变为6时，对应第一随机数生成单元61生成的随机数变为5，则可以确定此时要打开的动作单元的起始位置为位置5，则从位置5处的动作单元开始，依次打开6个动作单元，得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝7。由此可以看出，状态发生变化的动作单元的数目Δ与输入信号的值没有关系。
如图9所示，为本发明数模转换器第三实施例的结构示意图，与第二实施例的不同之处在于，DEM模块42具体可以包括：第二随机数生成单元91和第二随机化单元92，第二随机数生成单元91与第二随机化单元92连接，第二随机化单元92与温度计编码器41连接，动作单元阵列43与第二随机化单元92连接。其中，第二随机数生成单元91用于生成表示温度计码的排列位置的随机数；第二随机化单元92用于采用随机数，对温度计码的排列位置进行随机化。在该实施例中，温度计码的排列位置是完全随机的，也就是在编码过程中，动作单元的打开或者关闭都是随机的，相对于第二实施例中的情况，在该实施例中是通过对温度计码进行完全随机化，得到完全随机打开的动作单元。
本实施例的工作过程如下：如图10所示，为本发明数模转换方法第三实施例的流程示意图，与图7所示的方法的不同之处在于，该方法中步骤52具体可以包括以下步骤：
步骤101、第二随机数生成单元91生成表示温度计码的排列位置的随机数；
步骤102、第二随机化单元92采用随机数，对温度计码的排列位置进行随机化。
如图11所示，为本发明数模转换器第三实施例中DEM模块42对温度计码进行随机化的一种动作单元变化示意图，同样以6位的DAC为例进行说明。当输入信号的值为3时，第二随机化单元92采用第二随机数生成单元91生成的随机数对输入信号对应的温度计码的排列顺序进行随机化，也就是得到随机打开15个动作单元中的3个，同理，当输入信号的值由3变为7时，随机打开15个动作单元中的7个，这时，由图上可以得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝8，这8个动作单元的状态变化中，有的是从关闭状态到打开状态的变化，有的是从打开状态到关闭状态的变化。同理，当输入信号的值由7变为13时，得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝6；当输入信号的值由13变为6时，得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝11。由此可以看出，状态发生变化的动作单元的数目Δ与输入信号的值没有关系，DEM模块42根据随机数对温度计码的排列顺序随机化，得到动作单元打开与关闭的情况是完全随机的。
如图12所示，为本发明数模转换器第三实施例中DEM模块42对温度计码进行随机化的一种动作单元变化对应的状态发生变化的动作单元数目的频谱仿真图，在该图中，通过对状态发生变化的动作单元的数目做快速傅里叶变换后的频谱进行分析。与图3所示的采用温度计编码时得到的仿真图相比，在该图中，当X＝0.3852时，Y＝-5.991，所以通过DEM模块42对温度计码随机化后，状态发生变化的动作单元的数目对应的信号频率为2ω成分时，输入信号的幅度下降了5.991dB，所以相应地减少了频率为2ω的干扰。
可选地，在本实施例中，还有一种特殊的情况，如图13所示，为本发明数模转换器第三实施例中DEM模块42对温度计码进行随机化的另一种动作单元变化示意图，与图11的不同之处在于，在第二随机化单元92采用第二随机数生成单元91生成的随机数对输入信号对应的温度计码的排列顺序进行随机化时，每一次选取并打开的第一个动作单元都为15个动作单元中的第一个，这样，根据图13得到的状态发生变化的动作单元的数目的情况如下：当输入信号的值由3变为7时，得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝8；当输入信号的值由7变为13时，得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝6；当输入信号的值由13变为6时，得到状态发生变化的动作单元的数目Δ＝11。同样地，这种特殊情况还可以扩展到每一次选取并打开的前两个动作单元都为15个动作单元中的前两个、每一次选取并打开的前三个动作单元都为15个动作单元中的前三个等情况，但是需要有随机打开的动作单元存在，以保证DEM模块42对温度计码的随机化。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种数模转换器，其特征在于，包括：
温度计编码器，用于将输入信号转换为温度计码；
动态元件匹配DEM模块，用于生成随机数，采用所述随机数对所述温度计码进行随机化；
动作单元阵列，用于根据随机化后的温度计码，控制所述动作单元阵列的动作。
2.根据权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，所述DEM模块包括：
第一随机数生成单元，用于生成表示所述温度计码起始位置的随机数；
第一随机化单元，用于采用所述随机数，对所述温度计码的起始位置进行随机化，所述温度计码为连续排列。
3.根据权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，所述DEM模块包括：
第二随机数生成单元，用于生成表示所述温度计码的排列位置的随机数；
第二随机化单元，用于采用所述随机数，对所述温度计码的排列位置进行随机化。
4.根据权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，所述数模转换器用于对6位的数字码流进行数模转换，所述输入信号为所述6位数字码流的高4位。
5.根据权利要求1所述的数模转换器，其特征在于，所述动作单元阵列为电容阵列、电阻阵列或电流单元阵列。
6.一种数模转换方法，其特征在于，包括：
将输入信号转换为温度计码；
生成随机数，采用所述随机数对所述温度计码进行随机化；
根据随机化后的温度计码，控制动作单元阵列的动作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采用所述随机数对所述温度计码进行随机化包括：
生成表示所述温度计码起始位置的随机数；
采用所述随机数，对所述温度计码的起始位置进行随机化，所述温度计码为连续排列。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述采用所述随机数对所述温度计码进行随机化具体为：
生成表示所述温度计码的排列位置的随机数；
采用所述随机数，对所述温度计码的排列位置进行随机化。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法对6位的数字码流进行数模转换，所述输入信号为所述6位数字码流的高4位。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述动作单元阵列为电容阵列、电阻阵列或电流单元阵列。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20151230 |