基于FPGA的∑-Δ D/A转换器的设计与实现

摘要：数模转换器可以将一个二进制数字量转换成与该数字量成正比的电压值，可应用于可编程电压源、波形发生器等。本文采用数字化技术，用FPGA实现了一个简单的一阶8位∑-Δ 型DAC，只占用几个CLB。FPGA的速度和柔性的输出结构非常适合该DAC的实现。
关键词：∑-Δ DAC，FPGA，VerilogHDL，可综合性

引言

在各类电子系统中，数字电路所占比重越来越大。这主要是因为数字电路相对于 电路有一些突出的优点，例如：1 数字电路中的有源器件工作在饱和区 与截止区，工作状态稳定；2 数字电路处理的是二值信号，易于存储和再生；3 数字电路是由大量相同的基本单元，如门、触发器等所组成，易于大规模集成，易于自动化设计工具的应用等。再加上数字计算机和数字信号处理技术的迅速发展，使得数字电路从集成规模、应用范围及设计自动化程度等方面都大大超过了模拟电路，越来越多的由模拟电路实现的功能转由数字电路实现，进入了电子系统设计的数字化时代。

1  变∑-Δ换的原理

∑-Δ变换采用过取样技术，将信号按时间分割，保持幅度恒定，具有高取样率、噪声整形和比特字长短的特点。变换可以在低取样率、高分辨率的量化器或者高取样率、低分辨率的量化器中进行，在数字音频中很有用，如用于音频信号数字化的∑-Δ ADC及可将已经数字化处理后的音频信号还原为模拟声音信号的∑-Δ DAC。∑-Δ变换有时根据采用的具体结构称为1比特或多比特变换，本文所描述的∑-Δ DAC采用了1比特变换技术，克服了采用较多比特数时所带来的量化非线性误差、纠错困难的缺点。
    打个比方来说明如何用1比特替代16或更多比特：传统的阶梯变换器像16个电灯泡，连接到各自的开关上，每个都有不同的亮度，用各种组合方式可以得到216（即65536）种不同的亮度。然而，灯泡间的亮度差会引入误差，某种组合也并不总是能够产生所要求的亮度。1比特变换技术采用完全不同的方法，不用那么多灯泡和开关，只用一个灯泡和一个开关。房间亮度的变化可以通过简单的改变开、关灯泡的次数来得到。如果灯泡开的次数增加，房间的亮度就会增加。
    ∑-Δ变换是将信号按时间分割，保持信号幅度恒定。它用高电平或低电平的脉冲表示信号，例如可以采用脉冲密度调制（PDM），如图1所示恒定幅度的脉冲信号，不论电平高或低都能够重建输出信号波形。

2  ∑-Δ DAC的结构

传统的应用电流模技术的DAC当位数达到10位以上时，要在某一温度范围保持精度非常困难。本文的∑-Δ DAC运用了数字技术，因此与电流模DAC相比，不受温度变化的影响，且能在可编程逻辑器件如FPGA中实现。∑-Δ DAC实际上是高速1位DAC，应用数字反馈技术从输入二进制数字量产生等幅的脉冲串，脉冲串的平均占空比与输入二进制数字量成正比，脉冲串再通过一RC模拟低通滤波器就能重建模拟波形。∑-Δ DAC非常适合于低频、高精度的应用，尤其在数字音频领域应用广泛。