CN1229540A - 具有参考信号的数－模转换器 - Google Patents

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Abstract

包含能提供预定占空比的脉冲宽度调制信号输出的数－模转换器,该信号可用作参考信号(V/2)去补偿在数－模电路的其余部分运行中的偏差。数－模转换器具有多个输出级(46)。每个输出级(46)包含三态缓冲器(54),它输出接通信号,断开信号或由多路转换器(52)选择的脉冲宽度调制信号PWM,多路转换器在弦译码器(50)的控制下运行,而弦译码器响应于输入数字信号值内的指数位。如果一脉冲宽度调制信号被选择,则其占空比由响应于输入数字信号值内的尾数位的脉冲宽度调制译码器(48)控制。

Description

具有参考信号的数-模转换器
本发明涉及数-模转换器。
已知的数-模转换器包括装有梯形电阻器的系统，其器件都响应输入数字信号值有选择地被激励以产生适当大小的总输出模拟信号。使用脉冲宽度调制(PWM)技术以完成数-模转换也是已知的。用这些PWM技术，可生成占空比受输入数字信号值控制的脉冲宽度调制信号。该脉冲宽度调制信号随后被低通滤波并产生数值取决于脉冲宽度调制信号占空比的模拟信号。
在包括数字和模拟部分两者的电路方面，最好是尽可能多的电路在数字部分内完成。数字部分可用集成电路来实现，它们不仅便宜、紧凑、功率效率高而且比较能免除模拟电路的容差问题。
用数-模转换器，在有些级必须是从数字电路到模拟电路的转变。这样连接电路引起进一步的制约，在于最好尽可能少的信号线被用来将电路的数字部分连接到电路的模拟部分。其理由是电路的数字部分一般将作为集成电路来实现，电路有非常小的尺寸及有限的，可用的输入/输出接头量。因而，从电路的数字部分到电路的模拟部分所需要的接头数越多，可用于完成数字电路可能需要的其他功能的接头数就越少。
本发明涉及提供一种改进的数-模转换器的问题，该转换器让待使用的数字电路的比例增大，并且在电路的数字部分与电路的模拟部分之间需要少量的接头。
从一个方面来看，本发明提供用于将输入数字信号值转换为输出模拟信号的数-模转换器，该数-模转换器包括：
响应输入信号值以生成未校正的模拟信号的转换电路；
用于生成预定占空比的参考信号的参考信号电路，转换电路和参考信号电路在单个集成电路中构成，以使共享集成电路电源电压、共享环境条件及共享制造差别的改变，在该未校正的模拟信号和参考信号中产生相匹配的变化；
用于由参考信号生成参考电压的参考信号低通滤波器；以及
响应未校正模拟信号和参考电压以生成输出模拟信号的校正电路。
这样，为了产生更精确的数-模转换，电源电压和衰减器电压的变动，制造上的差别(如弱的输出衰减器驱动器)，运行温度等等在未校正模拟信号中造成的变化可能被补偿。
在优选的实施例中，转换电路包含多个输出级，各级响应输入数字信号值以生成作为具有信号振幅的接通信号之一的分信号，具有信号振幅的脉冲宽度调制信号和断开信号，该接通信号和脉冲宽度调制信号对于不同的输出级有不同的信号振幅，并且并联到公共的汇合节点(Summing node)以生成总信号；以及
校正电路包括低通滤波器，它用于对公共汇合节点处的总信号的任一脉冲宽度调制成分进行低通滤波以生成输出的模拟信号。
具有不同信号振幅的多个输出级，且每级可在开/关状态或脉冲宽度调制状态下运行，这样的使用提供具有脉冲宽度调制的大动态范围，脉冲宽度调制提供足够精细的分辨率而不需要过多的输出级。低通滤波器是仅有的需要具有模拟性质的部分，以此满足使数-模转换器主要通过数字电路来实现的要求。
为了提供能平滑、有效地覆盖被设计供使用的输出模拟信号区间的大动态范围，已发现最好使对不同输出级的接通信号与脉冲宽度调制信号具有对数性相关的振幅。
在数字电路中，这种对数关系在实施中被简化为使信号的振幅在它们的输出值之间增加到两倍。
在输入的数字信号值与数-模转换器对其响应之间的关系可以采取不同的形式。然而，本发明有益的简化实施例是这样一些，其中输入数字信号值的一个或多个弦位控制输出级中的哪个生成接通信号，输出级中的哪个生成脉冲宽度调制信号以及输出级中的哪个生成断开信号。
输入级中不止一个同时产生一个脉冲宽度调制分信号将是可能的。然而，适用于表示输入数据信号值的位间隔(或时隙，表示时隙的位)的本身是很受重视的。存储模拟信号的数字抽样表示所需的存储容量的数据量可能是极大的，从而任何给定的输入数字信号内的位间隔必须被使用到最大的效果。在本发明的优选实施例中，对于一个给定的输入数字信号值，只有一个输出级是生成脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制信号输出级，任何信号振幅低于该脉冲宽度调制输出级的输出级生成接通信号而任何信号振幅高于该脉冲宽度调制输出级的输出级生成断开信号。
将脉冲宽度调制信号的占空比指定到一个有意义的程度所需要的位间隔比确定哪个输出级产生接通或断开信号所需要的位间隔稍大。因此，最好是在任一给定时间仅有一个输出级应当产生脉冲宽度调制信号。而且，实现在模拟信号振幅内所要求的动态范围需要较低级次的输出级接通以提供偏压，在其顶点，脉冲宽度调制信号提供额外的微调控制并改进单调性。
按照上述，最好是输入数字信号值的多个控制域位为脉冲宽度调制信号选择一个占空比。
最好是数-模转换器应当能产生模拟信号的两个极性，并从而，最好输入数字信号值的符号位选择输出模拟信号的极性。
低通滤波器可用许多不同的方式实现。可能出现的一个问题是数字电路内的热漂移和制造容差对低通滤波器的驱动的影响，它可能导致输出模拟信号绝对值的变化。减轻这个问题的本发明的优选实施例是这些，其中低通滤波器包含差动放大器，对差动放大器的基准输入是从有预定占空比的参考信号得到的参考电压。
配合使用借助由有预定占空比的参考信号得到的参考电压校正的差动放大器，是使由输出级产生的分信号中的变化将与参考信号中的相应的改变同时发生以起互相抵消的作用。
一种简单的、有效且便宜的用于控制不同输出级信号振幅的方法是各个输出级都包含一个电阻器件去控制该输出级的信号振幅。
当电阻器件由一个或多个具有共同的电阻值并由同一批制造作业中产生的电阻器构成时，不同级的信号振幅间的偏差可能被更准确地控制。
尽管本发明在许多不同的实施中达到了密集、大动态范围和高分辨率的优点，在数-模转换器除了上述的电阻器件及低通滤波器外还包含数字集成电路的实施例中，本发明特别提供有力的有利条件。
为了将不同类型的分信号有效地传送到共同的汇合节点，最好各输出级都包含一个生成该分信号的三态缓冲器。
被选定的脉冲宽度调制模式可能有许多形式。一般说来，信号状态的变换要消耗功率。减少功率消耗被认为是合乎需要的目标，因为它能使便携装置较长的运行并减少热的产生。然而，为了改善低通滤波器的有效性和输出模拟信号的保真度，最好使脉冲宽度调制信号对所需占空比具有最低的低频傅里叶成分含量以及脉冲宽度调制信号的重复取样频率。
本发明的数-模转换器可以与表示许多不同物理实体的输入数字信号值一起使用。然而，当输入数字信号值是数字声频取样且输出模拟信号驱动声频转换器时，本发明特别有效。
从另一方面看，本发明提供了用于将输入数字信号值转换成输出模拟信号的数-模转换方法，该数-模转换方法包括步骤：
响应输入数字信号值借助转换电路生成未校正的模拟信号；
借助参考信号电路生成预定占空比的参考信号，转换电路和参考信号电路在单个集成电路中构成以使共享集成电路电源电压、共享环境条件和共有的制造差别的变化生成与未校正模拟信号和参考信号相匹配的改变；
将参考信号低通滤波以生成参考电压；以及
响应未校正模拟信号和参考电压借助校正电路生成输出模拟信号。
现在只通过实例，参照附图描述本发明的实施例，附图中：
图1用图解说明输入数字信号值的一个实施例的格式；
图2用图解说明用于数-模转换图1的输入数字信号值的输出级；
图3用图解说明与低通滤波器配合的如图2说明的一组输出级；
图4说明图1、2和3的系统的数-模的特性曲线；
图5说明用于图1、2和3的系统的与不同弦选择位有关的弦导引，
图6说明用于图1、2和3的系统的输入数字信号值和输出模拟信号之间的变换；
图7用图解说明输入数字信号值的另一实施例的格式；
图8用图解说明用于数-模转换图7的输入数字信号值的输出级；
图9用图解说明与低通滤波器配合的如图8说明的一组输出级；
图10说明图7、8和9的系统的数-模的特性曲线；
图11说明用于图7、8和9的系统的与不同弦选择位有关的弦导引；
图12说明用于图7、8和9的系统的输入数字信号值和输出模拟信号之间的变换；
图13说明用于图7输入数字信号值的不同尾数值的脉冲宽度调制编码；
图14用图解说明预定占空比的参考信号，参考电压与电源/干线电压之间的关系；
图15用图解说明在未校正模拟信号和参考电压中的匹配变化；以及
图16用图解说明另一实施例，其中立体声频信号由两个两级数-模转换器产生，随后被低通滤波和放大。
图1用图解说明输入数字信号值2。输入数字信号值2由一个符号位4，两个弦选择(指数)位6和五个控制域(尾数)位8组成。符号位4控制由数-模转换器产生的输出模拟信号的极性。弦选择位6控制数-模转换器输出级中的哪个产生接通信号、断开信号或脉冲宽度调制信号。这相当于在图4说明的特性曲线上选择一个特定的弦，而输出模拟信号处在该弦上。控制域位8控制由数-模转换器输出级中的一个产生的脉冲宽度调制信号的占空比。这相当于沿着被弦选择位6在图4中选定的弦上指定一个位置。控制域位8的五个位允许指定三十二个不同的占空比。
图2用图解说明数-模转换器的一个输出级10。一个5比特的脉冲宽度调制译码器(事实上共用于所有的输出级)12将控制域位8转换成具有32种可能占空比中一个的脉冲宽度调制信号PWM。控制域位00000产生16/32的占空比。控制域位01111产生31/32的占空比，同时在00001至01110之间居中的控制位数产生17/32至30/32的占空比。控制域位10000产生0/32的占空比。控制域位11111产生15/32的占空比，同时在10000至11111之间居中的控制域位数产生1/32至14/32的占空比。
弦译码器14对弦选择位6响应以产生被传送到多路转换器16的弦导引输出。依赖于弦选择位6的内容，弦译码器14通过弦导引位控制多路转换器16去选择一个接通信号18、一个断开信号20和脉冲宽度调制信号用作多路转换器16的输出。从弦选择位6到弦导引信号的映射变换对不同的输出级将有差别以使对于任一给定的弦选择位，多路转换器中的一个将选择脉冲宽度调制信号，较高级次的多路转换器将选择接通信号18，而较低级次的多路转换器将选择断开信号20。
符号位4向三态缓冲器22提供输入。三态缓冲器22由多路转换器16选通并将其输出传送到集成电路的输出衰减器24。图2中输出衰减器24左边的组件是集成电路的全部部件。离开输出衰减器24的信号随后被传送到具有随输出级级次而定的特定值的电阻器件26。电阻器件26由具有相同阻值并来自同一批制造作业的电阻器网络构成。这样，就能使不同输出级10的各个电阻器件26阻值之间达到精确的对数关系。
图3用图解说明具有四个输出级10的数-模转换器。这些输出级10通过各自的电阻器件26被连接到公共汇合节点28。公共汇合节点28将其输出传送到包含具有反馈网络34的差动放大器32的低通滤波器30。参考电压V/2被输送到差动放大器32的非反相输入而来自各个输出级10的分信号的总和由公共汇合节点被传送到差动放大器32的反相输入。反馈网络34具有根据产生截止频率基本上低于脉冲宽度调制信号最低的傅里叶成分的低通滤波特性的规范做法选定的组件值。
参考电压V/2是从参考电路27通过集成电路(具有与输出级相同的三态输出缓冲器以使在三态输出缓冲器中制造差别可以被校正)另外的输出衰减器得到，衰减器产生具有50％占空比的参考信号RS，该信号随后通过参考信号低通滤波器36以产生参考电压V/2。这样，由集成电路产生的信号绝对值的变化，如由于干线电压改变引起的，就被抵偿，因为相同的改变将发生在被差动放大器32用作参考点的参考电压V/2中。
图4示出图3的电路的数-模特性曲线。模拟信号在-480I到+480I的范围内变化，这里I是在模拟信号中产生最小增量(在这种情况下约表示为V/(8*R)，V是当输出级衰减器24被接通时三态缓冲器22驱动衰减器的电压)的预定的电流。960I的动态范围将被用10比特线性编码。然而，关于图1中被阐明的信号的对数表示用8比特就达到这个动态范围。输入数字信号值00至1f(16进制)在第一个弦38并且提供三十二个可能的各隔开I的输出模拟信号电平。第二个弦40也提供三十二个可能的模拟信号电平，但这次隔开2*I。第三个弦42和第四个弦44同样继续下去，但分别具有4*I和8*I的模拟信号电平间隔。当输入数字信号值的最大有效位是“1”，表明负的输出模拟信号时，则相应的负弦38′、40′、42′和44′被使用。
当模拟信号的动态范围很大时，在较高电平的分辨率低于用通常线性编码的。然而，在许多现实生活的应用中，如声频信号，这是不重要的因为对数特性很好地匹配人类的听觉响应并从而使供声频取样的位间隔得到最好的应用。
图5说明弦选择位或指数位(EXP)与传送到有差别的输出级10内各个多路转换器16的弦导引信号之间的关系。级次最低的输出级是具有最大阻值的电阻器(在这种情况下为8*R)的输出级并且把它选定的输出用EN[0]表示。当最低的弦38，38′被选择时，随着所有的较高级次的输出级被断开，级次最低的输出级产生脉冲宽度调制成分。在指数升高的情况下，产生脉冲宽度调制信号的输出级的级次上升，同时较低级次的输出级持久地接通而较高级次的输出级保持断开。当顺序最高的弦44，44′通过指数值11被选择时，则级次最高的输出级(对应于电阻器件R)产生脉冲宽度调制信号而所有较低级次的输出级产生接通信号。
图6说明输入数字信号值至分信号Iout[n]的符号、指数位及尾数位与被低通滤波的总信号Itot之间的关系。对于那些产生脉冲宽度调制信号的输出级，则在图6中给出的数值是用于该级的关于给定尾数乘以相对信号振幅的占空比。
图7至图13用图解说明本发明的第二个实施例。这个实施例按上述第一个实施例相同的原理运行，但在这种情况下使用了3比特指数(弦选择位)和4比特尾数(控制域位)。这在图7中被图解说明。
图8示出输出级46，在这种情况下该级包含4比特脉冲宽度调制解码器48和响应三个指数位的弦译码器50。多路转换器52和三态缓冲器54如以前所描述相同方式运行。
图9用图解说明由图8说明的包含8个输出级46的数-模转换器。在这种情况下，电阻器件的阻值分布在R和128*R之间。离开所有输出级46的输出分信号电流在它们被低通滤波前都被传到公共汇合节点56。参考信号电路47生成占空比50％的参考信号，随后参考信号被参考信号低通滤波器49进行低通滤波。
图10是图9的数-模转换器的特性曲线。该特性曲线是由分别用不同指数值选择的8根弦组成。在各根弦内的最高值为16I，48I，112I，240I，496I，1008I，2032I和4080I。特性曲线的总动态范围是8160I。这个动态范围一般将需要13比特用线性表示法去覆盖。在这种对数表示法中，该动态范围靠在最后的弦中增加步长至128I只使用8比特就被完全覆盖。每根弦有十六种可能的等间隔的层次。
图11说明指数值与弦译码器50的弦导引输出之间的关系。这种关系的图形与图5中说明的用于以前实施例的相同。随着指数次的升高，生成脉冲宽度调制信号的输出级次按顺序上升伴随着较低的级被接通而较高的的级被断开。
图12示出在第二个实施例中符号，指数和尾数位对于分信号与总信号之间的关系。与第一个实施例相比，靠较大的步长获得较大的动态范围。在声频信号数-模转换中这被发现是很好的折衷办法。
图13用图解说明尾数值与用图8的4比特脉冲调制译码器48的脉冲宽度调制信号输出之间的关系。1000的尾数值生成0/16的占空比，它表示脉冲宽度调制信号在它16个时隙中一直停留在断开状态(过取样频率*16)。0000的尾数值(控制域位)生成8/16(50％)的占空比，其中脉冲宽度调制信号在16个过取样时隙的各个间交替处于断开和接通。凭借有8个连续的断开时隙随后8个连续的接通时隙也可能获得50％的占空比。然而，这样的译码将会有较多低频傅里叶成分更难被低通滤波除去。因此，为了改善所得模拟信号的保真度，最高的频率模式被使用。
在图8的实施例中，输入数字信号值在被输出之前都受到一些数字信号处理。这种数字信号处理能用于补偿一些因素，诸如由数-模转换器引入的相移随频率变动。如果脉冲宽度调制信号需要100％占空比，则将采样数据输送到数字信号处理的预处理电路就可实现，该电路迫使它们进入过量程状态，同时这些过量程信号被传送到4比特脉冲宽度调制译码器48。这在图13的底行被说明。
图14用图解说明由占空比为50％并且电平在零和干线电压Vrail之间变动的方波构成的参考信号58。参考信号的平均(低通滤波)值是干线电压的一半，并且作为参考电压被输送到电路中别处。
图15用图解说明未校正模拟信号(公共节点信号)由于衰减的变化如何被参考电压的改变所匹配，以使a/b基本上与c/d相同。这样电压漂移、偏移以及在电路中由于容差造成的某些其他问题可能被供应有参考电压作为参考输入电平的差动放大器所校正。
图16用图解说明具有两个两级声频通道AOL，AOR的另一个实施例，每个通道具有相伴的低通滤波器和同时相伴的放大器。凭借被低通滤波的输出Aref提供参考电压Vref。该参考电压Vref被传送到两个通道的滤波电路和放大电路以补偿信号AOL，AOR及集成电路生成的Aref的变化。

Claims (16)

1.用于将输入数字信号值(2)转换为输出模拟信号(Vout)的数-模转换器，该数-模转换器包含：
响应输入数字信号值以生成未校正的模拟信号的转换电路(12，14，16，22，26)；其特点在于
用于生成预定占空比的参考信号的参考信号电路(27)，该转换电路和该参考信号电路在单个集成电路中构成，以使在共享集成电路电源电压和共享环境条件中的改变在未校正的模拟信号和参考信号中产生相匹配的变化；
用于由参考信号生成参考电压的参考信号低通滤波器(36)；以及
响应未校正模拟信号和参考电压以生成输出模拟信号的校正电路(32，34)。
2.权利要求1的数-模转换器，其中校正电路包含差动放大器(32)，到差动放大器的基准输入为参考电压。
3.权利要求1和2中任何一个数-模转换器，其中
转换电路包含多个输出级(10)，每级响应输入数字信号值生成具有信号振幅的接通信号(1)，具有信号振幅的脉冲宽度调制信号(PWM)和断开信号(0)之一的分信号，该接通信号和脉冲宽度调制信号对于不同的输出级有不同的信号振幅，并被并联到公共的汇合节点(28)以生成总信号；以及
校正电路(32，34)包含低通滤波器，它用于对公共汇合节点处的总信号中任一脉冲宽度调制成分进行低通滤波以生成输出的模拟信号。
4.权利要求3的数-模转换器，其中用于不同输出级的接通信号和脉冲宽度调制信号具有对数性相关的振幅。
5.权利要求4的数-模转换器，其中信号振幅在输出级之间增加一倍。
6.权利要求4和5中任何一个的数-模转换器，其中输入信号值的一个或多个弦位(6)控制输出级中哪一个生成接通信号，输出级中哪一个生成脉冲宽度调制信号以及输出级中哪一个生成断开信号。
7.权利要求6的数-模转换器，其中，对于给定的输入数字信号值，输出级中只有一个是生成脉冲宽度调制信号的脉冲宽度调制输出级，任何信号振幅低于脉冲宽度调制输出级的输出级生成接通信号，而任何信号振幅高于脉冲宽度调制输出级的输出级生成断开信号。
8.权利要求7的数-模转换器，其中输入数字信号值的多个控制域位(8)为脉冲宽度调制信号选择占空比。
9.权利要求1至8中任何一个的数-模转换器，其中输入数字信号值的符号位(4)选择输出模拟信号的极性。
10.权利要求1至9中任何一个数-模转换器，其中每个输出级包含一个电阻器件(R)为该输出级控制信号振幅。
11.权利要求10的数-模转换器，其中电阻器件都由一个或多个具有共同电阻值(R)并由同一批制造作业中产生的电阻器构成。
12.权利要求10的数-模转换器，其中除了电阻器件和低通滤波器外，该数-模转换器还包含数字集成电路。
13.权利要求1至13中任何一个数-模转换器，其中各个输出级包含生成该分信号的三态缓冲器(22)。
14.权利要求1至13中任何一个数-模转换器，其中脉冲宽度调制信号对所需占空比具有最低的低频傅里叶成分以及脉冲宽度调制信号的过取样频率。
15.权利要求1至14中任何一个的数-模转换器，其中输入数字信号值是数字声频取样并且输出模拟信号驱动声频转换器。
16.用于将输入数字信号值转换成输出模拟信号的数-模转换方法，该数-模转换方法包括步骤：
响应输入数字信号值用转换电路生成未校正的模拟信号；
用参考信号电路生成预定占空比的参考信号，该转换电路和该参考电路在单个集成电路中构成以使在共享集成电路电源电压和共同环境条件中的改变引起在未校正的模拟信号和参考信号中相匹配的变化；
将参考信号低通滤波以生成参考电压；以及
响应未校正模拟信号和参考电压用校正电路生成输出模拟信号。
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