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四阶2-2级联Σ-Δ调制器的设计及仿真.rar

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    级联 调制器 设计 仿真
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    科技学院 2011 届本科毕业论文四阶 2-2 级联 Σ-Δ 调制器的设计及仿真专 业:电子信息科学与技术指导教师: 陈 茜 学生姓名: 冯 骁 学生学号: 072004110430 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页 Ⅰ 四阶 2-2 级联 Σ-Δ 调制器的设计及仿真摘要Σ-ΔADC 由于运用了过采样、噪声整形技术和数字降频滤波器技术,能获得的精度较高。然而,过采样使得 Σ-ΔADC 的带宽受到一定限制。为了拓展其带宽,在现有工艺条件限制下,必须采用较低的过采样率。另外,电压摆幅的降低,使得传统 Σ-ΔADC 的满量程输入减小,同时限制了可用的运放结构。本文主要研究一种高精度稳定的 Σ-Δ 型 ADC 拓扑结构一 2-2 级联型 Σ-ΔADC 来满足对一些调制器的要求。关键词:Σ-Δ 调制器,过采样,MATLABA 2-2 MASH Sigma-Delta ADC Design and Simulation AbstractBecause of using oversampling,noise shaping and decimating filtering,Sigma-Delta can achieve high resolution. However, the bandwidth Sigma-Delta ADC is restricted by oversampling. In order to expand its bandwidth, In the existing process condition restrictions , must use the lower oversampling. In addition, Voltage swing of reduced , Sigma-Delta ADC makes traditional full range input decreased, and limits the usable op-amp structure.To meet the requirements of some modulator ,the main idea of this paper is research a high resolution stable Sigma-Delta ADC topological structure—a 2-2 MASH Sigma-Delta ADC.Keywords:Sigma-Delta ADC,oversampling,MATLAB贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页 Ⅱ 目 录第 1 章 绪论..................................................11.1 论文研究背景..........................................11.2 Σ-△发展历史.........................................21.3 研究目标及本文工作....................................4第 2 章 A/D 转换技术及 ΣΔ 调制器基本概念.......................52.1 A/D 转换原理...........................................52.1.1 Nyquist A/D 转换器..............................62.1.2 过采样 A/D 转换器...............................62.1.3 过采样 A/D 转换器的优点.........................72.2 现有的几种 A/D 转换器..................................82.2.1 积分型..........................................82.2.2 逐次比较型......................................82.2.3 并行比较型/串并行比较型.........................92.2.4 Σ-Δ(Sigma-Delta)调制型........................102.2.5 电容阵列逐次比较型..............................112.2.6 压频变型........................................112.3 A/D 转换器的主要技术指标...............................122.4 ∑-△调制器的基本概念..................................122.4.1 增量调制器......................................132.4.2 改进的增量调制器一∑-△调制器...................162.4.3 过采样..........................................182.4.4 噪声整形........................................192.5 低阶∑-△调制器........................................21 2.6 Σ-Δ 调制器结构........................................23 2.6.1 单级结构........................................232.6.2 级联结构........................................24第 3 章 电路设计与实现........................................28贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页 Ⅲ 3.1 2 一 2 型级联∑-△调制器...................................283.2 增益衰减因子和级间耦合系数的确定..........................313.3 仿真结果..................................................32第四章 结论...................................................36参考文献......................................................Ⅳ致谢..........................................................Ⅴ贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页 1第一章 绪论 1.1 论文研究背景自然界中的各种物理量,例如光、电、声、振动、压力、温度等常常表现为在时间域上连续的变化的模拟信号,在科学研究和工程技术的各个领域往往需要对这些信号进行加工处理(例如检测、变换、滤波、压缩、传输、显示等) ,这种处理以往大多采用模拟系统(或线路)来实现。今年来随着大规模集成电路和数字信号处理技术、计算机技术的发展,数字系统得到了飞速发展,由于数字系统具有性能高、可靠性好,灵活性强以及体积小、耗电量少、成本低等优点,使得模拟信号已越来越多地采用数字系统进行处理。数字系统只能处理数字信号,为了能利用数字系统来处理模拟信号,首先必须将模拟信号转换成数字信号,模-数(A/D)转换器就是用来实现这一转换的器件。一个典型的模拟信号数字处理系统可以描述为:输入的模拟信号经预放、滤波后送给 A/D转换器转换成数字信号后,送入计算机或专用数字设备进行处理,最后再将处理后的数字信号经相反的转换器,即数-模(D/A)转换器,转换成模拟信号输出。所以说,A/D 和 D/A 转换器是模拟信号数字处理中必不可少的基本部件,是联系模拟和数字系统的桥梁,它们在某种程度上决定了整个系统的性能。可以说,A/D 转换器是一切数字化工程的核心和灵魂。数字电路的发展在促进 A/D 转换发展的同时对之也提出了更高的要求。Σ-Δ 调制技术,作为一种能采用较简单的结构及低成本来获得高的频率分辨率的方法已经成为一种流行的技术。其基本概念是利用反馈环来提高粗糙量化器的有效分辨率并整形其量化噪声。它是由 J.Candy 在二十世纪七十年代提出的,近 20 年由于VLSI 技术的发展才逐渐得到应用。目前,这一技术已被广泛应用于数字音频、数字电话、图像编码、通信时钟振动及频率合成等许多领域。与传统的 A/D、D/A 转换器技术相比,过采样 Σ-Δ 调制器技术可以通过提高过采样比和噪声整形技术,降低了前端反混叠前置滤波器的复杂性,减少对模拟集成器件的非线性敏感性和采样保持电路的精度的要求,从而以低成本实现对具有线性变换特点、高分辨率和高性能的 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页 1A/D、D/A 转换器的设计。尽管这种设计技术增加了数字信号处理的比重,但是它顺应了 VLSI 技术的发展,贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页 2设计高性能的数字集成器件已经不是难事了 [1]。过采样Σ-ΔA/D 转换器,或简称Σ-ΔADC是一种能达到高精度的 A/D 转换器。它由简单地由一个Σ-Δ调制器和一个数字低通滤波器组成,它们用现代高密度数字制造工艺都很容易实现。Σ-Δ ADC的工作原理已经提出40多年,但是能够在一颗芯片上集成Σ-ΔADC的能力还是最近几年的事情。Σ-Δ调制器就是 A/D 转换器中的主要部分。对Σ-Δ调制器的模拟,有多种方法 ,从精度 ,速度和灵活性(即建模能力和可重用性)考虑,本文采用广泛使用的MATLAB/SIMULINK对调制器进行时域行为模拟。本文在MATLAB环境中应用SIMULINK工具对一种四阶2-2级联高精度Σ-Δ调制器的设计及仿真。1.2Σ-△发展历史1946 年,De Loriane 等人提出 Σ-Δ 调制器,其目的在于减少信源编码长度。这是Σ-Δ 模/数转换器中的两大基础技术之一。1952 年,F.deJager [2]提出 Delta 调制器。在调制器的前向通路中只有一个量化器,而在反馈回路中包含了一个环路滤波器,这样信号和量化噪声同时经滤波后被反馈回来,最后输出是经过滤波后的信号和量化噪声。1954 年,Cutler [3]最早提出利用反馈来改善普通量化器的信噪比。这个概念是Delta 转换器和各∑-△转换器他们共有的一个基本概念。1962 年,Inose 和 Yasuda[4]提出∑-△调制器,即在 Delta 调制器的前端加入环路滤波器,并将其移入到 Delta 调制器的前向环路中。最简单的环路滤波器是一个积分器。这样整个系统在前向通路中包含一个积分器以及一个一位量化器,在反馈通路中包含一个 DAC。由于这个系统包含了差值模块和积分模块,所以被称为 Sigma-Delta 调制器或者∑-△调制器。1977 年,Ritchie 提出了高阶∑-△调制器,即在前向通路中将几级积分器级联,以增加环路滤波器的阶数。同时将输出信号反馈至调制器中每一个积分器输入,以防止系统的不稳定 [5]。1985 年,Candy 的经典论文详细论证了稳定的双积分器环路的设计。多于 2 个积分器的环路是条件稳定的,需要通过行为级仿真,验证系统的稳定性能。1987 年,Lee 提出了稳定的高阶调制器的设计技术。基于这种技术,具有 4 阶、5阶环路滤波器的∑-△调制器的商业模式相继获得成功。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页 21986 年,Hayashi 等提出了 MASH(multi-stage noise shaping),另一种设计稳定贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 6 页 3的高阶∑-△ADCs 的方法:将几级∑-△级联,前一级的量化噪声作为下一级的输入,通过对输出的数字信号的处理来消除前一级的量化噪声,最后只剩下最后一级的量化噪声被调制后输出。另一种改善∑-△ADC 的性能的方法是采用多比特内部量化器,但同时也要求在反馈回路中使用多位 DAC,多位 DAC 的有限的线性度限制了整个 ADC 的线性度。直到1989 年,Carley 提出了用动态单元匹配来减少 DAC 的非线性影响。动态元件匹配技术可以使 DAC 的非线性误差表现为加性的白噪声,而非谐波畸变。1990 年,Leslie 和Singh 提出了使用一位 DAC 和多位 ADC 的结构,这样能同时达到很好的线性度和很低的量化噪声。理解∑-△调制器最简单的方法是利用其频域描述的线性模型。在这种模型中,非线性的量化器被加性的噪声源所取代。依据线性系统理论,∑-△调制器的输出将包括滤波后的输入信号和滤波后的量化噪声,这 2 个滤波过程是相互独立的,从而使∑-△调制器能够在频域内将量化器引入的噪声谱和信号谱区分开来。采用这种线性模型可以很好地解释调制器的量化噪声成型,同时也能较精确地估计不同结构的调制器的性能。但是,当白噪声的假设不成立时,上述线性模型也就不成立了。∑-△调制器现存的 2 个尚未解决的理论问题都和上述线性模型的缺陷有关,其一是调制器信号通带外的大的弦音问题,其二是高阶调制器的稳定性的问题。线性模型忽略了量化噪声与输入信号之间的强相关性,而这种相关性将导致出现弦音问题。高阶调制器的稳定性问题仍然需要依靠仿真试验的方法进行验证。1997 年,Steiner 基于状态空间变量法对高阶∑-△调制器进行详细的分析。同时还有各自专门为设计∑-△调制器开发的工具,如 MIDAS、ZSIM、TOSCA 和 HOST,还有一些公开的软件工具包。低通∑-△调制器的通带中心频率位于直流处,将∑-△调制的概念推广到非零中心频率的思想是由 Pearce、Gailus、Schreier 以及 Horroeks 先后独立提出的。对于低通∑-△调制器,为了获得较高的基带量化信噪比,就要求调制器具有较高的过采样比(OverSampling Ratio,OSR):当工作频率较高时,就要求使用很高的采样频率,这就限制了这种调制器使用的频率范围。但是,在测量和无线电通信应用中,信号的中心频率往往较高,而信号的有用带宽却很窄。如果采用低通∑-△调制器,由于要求的采样频率过高而无法实现,而带通∑-△调制器却非常适合此类应用。近期,∑-△ADC 的研究方向是高阶调制器的稳定性,自适应技术,噪声整形及消贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 6 页 3除
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