[发明专利]一种基于多比特数字信号的数模转换电路

说明书

本发明公开了一种基于多比特数字信号的数模转换电路。该电路主要包含了单比特数字Sigma‑Delta调制器，半数字滤波器，有源低通滤波器和输出缓冲器。输入的多比特数字信号首先通过一个单比特Sigma‑Delta调制器转换为单比特数字信号。接着通过一个半数字滤波器将单比特数字信号转换为模拟信号。然后通过一个有源低通模拟滤波器对其进行滤波，有效滤除了高频噪声。最后通过一个缓冲器，提高了输出以及带负载的能力。本发明提出的数模转换电路相较于传统的基于开关电容滤波器的数模转换电路对电路中的时钟抖动更加不敏感，有效提高了信号的信噪比；另外整个电路的硬件实现所需的元器件较少，成本较低。

技术领域

本发明涉及信号处理领域，主要涉及及应用于多比特数字信号的数模转换。

背景技术

在数模转换领域中，目前数模转换器的主要结构有R-2R倒T型电阻网络数模转换、加权电阻网络数模转换、加权电流数模转换，Sigma-Delta数模转换等。其中由于Sigma-Delta数模转换器仅需要1比特量化，就能实现极高的信噪比，因此成为目前热门的研究方向。对于单比特Sigma-Delta数模转换器而言，其输出信号的时域波形在理想情况下是矩形脉冲信号，这意味着该信号的高频噪声能量是远大于基带内信号的能量，这种信号对后端模拟电路，特别是放大器的压摆率提出了极高要求，并且实际上目前现有放大器的压摆率是无论如何不能满足其要求的，这将不可避免的导致噪声的产生。另一方面，Sigma-Delta数模转换器的实际输出波形不可能完全理想，如输出脉冲可能具有非对称性，这将导致信号的谐波产生。因此其后端电路通常采用开关电容滤波器结构，这是因为开关电容结构的数模转换不在信号的上升和下降时刻进行采样，这就有效的避免了上述两个问题。

但是开关电容滤波器也有其自身的一些问题，首先该滤波器对时钟抖动极其敏感,因此为了达到较高的信噪比必须对时钟抖动加以控制。其次随着采样频率的增加，开关电容滤波器中所采用的电容的容值越来越小，这将使分布参数对电路的影响越来越大，这将限制Sigma-Delta数模转换器的过采样倍数，从而阻碍其性能的进一步提高。

发明内容

为了解决上述Sigma-Delta数模转换器存在的问题，本发明提供了一个种新的数模转换电路。该电路主要包含了：

单比特Sigma-Delta调制器，用于将多比特数字信号转换为单比特数字信号；

半数字滤波器，用于将单比特数字信号转换为模拟信号；

有源低通滤波器，用于滤除模拟信号的高频噪声；

缓冲器，用于提高带负载能力。

单比特Sigma-Delta调制器进一步包括：该调制器的结构是单环五阶积分器级联结构，主要由五个积分器和各个结构系数所组成。

半数字滤波器进一步包括：该滤波器主要由32个D触发器，32个反相器，电阻R₁,R₂,...,R₆₆和一个运算放大器所构成。单比特数字信号首先通过32个D触发器得到32路不同的延时信号，该32路信号通过电阻R₁,R₂,...,R₃₂实现模拟信号的累加，同时该32路信号通过32个反相器，再通过电阻R₃₃,R₃₄,...,R₆₄实现模拟信号的累加，这就得到了两路差分信号。这两路差分信号最后通过一个由电阻R₆₅,R₆₆和运算放大器所构成的模拟减法电路就实现了双端转单端功能。

有源低通滤波器进一步包括：该滤波器为4阶模拟低通滤波器，主要由两个运算放大器和4个RC网络(R₆₈,C₃；R₆₉,C₂；R₇₀,C₅；R₇₁,C₄)所构成。