способ цифроаналогового преобразования

Формула изобретения

Способ цифроаналогового преобразования, включающий формирование ШИМ сигнала на основании кодов, поступающих на вход ЦАП, добавление полученного сигнала к кодам, поступающим на вход ЦАП, преобразование поступающих на вход кодов в аналоговый сигнал на выходе ЦАП, подавление высокочастотных составляющих аналогового выходного сигнала фильтрацией нижних частот, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию нелинейных искажений путем калибровки ЦАП с определением зависимости напряжения на выходе ЦАП от кода, поступающего на вход ЦАП, результаты калибровки учитывают при формировании ШИМ сигнала предыскажения путем определения погрешности преобразования ЦАП входного сигнала, обусловленной конечной разрядностью, а также нелинейностью характеристики преобразования ЦАП и аппроксимации данной погрешности ШИМ сигналом предыскажения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу формирования сигналов и может быть использовано для повышения линейности цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).

В настоящее время существует целый класс цифроаналоговых преобразователей, для которых, при умеренной цене, практически невозможно обеспечить монотонность (линейность) их характеристик преобразования. Например, ЦАП с формированием весовых токов резистивной матрицей R-2R. Для данного класса ЦАП применяют различные способы коррекции нелинейных искажений. Например, способ коррекции нелинейных искажений ЦАП, основанный на использовании нескольких ЦАП, отличающихся друг от друга как по характеристикам нелинейности, так и по разрядности. Улучшение линейности выходного сигнала достигается комбинированием сигналов отдельных ЦАП, для чего производится предварительная калибровка каждого из них («A pre-correction method for improved static linearity using parallel DACs» R.A.T. van den Hoven, http://www.student.tue.nI/M/R.a.t.v.d.Hoven/thesis/Thesis HovenR). Недостатком такого подхода, а следовательно, и самой структуры является необходимость применения нескольких ЦАП и специальной схемы управления, что ограничивает область применения данного способа.

Также известно использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для осуществления цифроаналогового преобразования. При этих способах ШИМ формируется широтно-импульсно-модулированный сигнал с коэффициентом заполнения, регулируемым значением входного цифрового сигнала. Затем этот широтно-импульсно-модулированный сигнал подвергается фильтрации нижних частот, и получается аналоговый сигнал со значением, зависимым от коэффициента заполнения широтно-импульсно-модулированного сигнала. В настоящее время данный принцип широко используется в так называемых сигма-дельта ЦАП и АЦП. Например, семейство двухканальных 18-разрядных сигма-дельта ЦАП CS433x фирмы Crystal Semiconductor. Известны также промежуточные варианты, в которых предлагается использовать ШИМ для уменьшения шумов квантования и увеличения эффективной разрядности обычных, не сигма-дельта, цифроаналоговых преобразователей, как, например, в патенте США 6950050.

В качестве прототипа как наиболее близкий по сумме признаков и достигаемому результату может быть принят способ цифроаналогового преобразования по патенту США №6950050, МКИ Н03М 1/66, опубл. 2005.09.27).

Способ включает формирование ШИМ сигнала на основании кодов, поступающих на вход ЦАП, добавление полученного сигнала к кодам, поступающим на вход ЦАП, преобразование поступающих на вход кодов в аналоговый сигнал на выходе ЦАП, подавление высокочастотных составляющих аналогового сигнала фильтрацией нижних частот.

В данном патенте предлагается способ управления устройством, которое принимает цифровые сигналы управления и производит соответствующие аналоговые выходные сигналы для приведения управляемого аналогового устройства в соответствующее состояние. Предлагается добавлять либо к цифровым сигналам управления, либо непосредственно к выходным сигналам ЦАП специальный сигнал (ШИМ сигнал), компенсирующий погрешность квантования, которая вызвана конечной разрядностью ЦАП.

Недостатком данного изобретения является отсутствие компенсации искажений, вызванных нелинейностью характеристики преобразования ЦАП. Этот недостаток устраняется предлагаемым решением.

Технический результат - значительное снижение нелинейных искажений в низкочастотной области выходного сигнала, что позволяет говорить о повышении эффективной разрешающей способности ЦАП на нижних частотах.

Этот технический результат достигается тем, что в способе цифроаналогового преобразования, включающем формирование ШИМ сигнала на основании кодов, поступающих на вход ЦАП, добавление полученного сигнала к кодам, поступающим на вход ЦАП, преобразование поступающих на вход кодов в аналоговый сигнал на выходе ЦАП, подавление высокочастотных составляющих аналогового выходного сигнала фильтрацией нижних частот, осуществляют коррекцию нелинейных искажений путем калибровки ЦАП с определением зависимости напряжения на выходе ЦАП от кода, поступающего на вход ЦАП, результаты калибровки учитывают при формировании ШИМ сигнала предыскажения путем определения погрешности преобразования ЦАП входного сигнала, обусловленной конечной разрядностью, а также нелинейностью характеристики преобразования ЦАП и аппроксимации данной погрешности ШИМ сигналом предыскажения. В результате достигается значительное снижение нелинейных искажений в низкочастотной области выходного сигнала, что позволяет говорить о повышении эффективной разрешающей способности ЦАП на нижних частотах.

Теперь будет описан конкретный вариант осуществления изобретения, приводимый только в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему цифроаналогового преобразования, соответствующую данному изобретению,

фиг.2 изображает характеристики преобразования идеального и неидеального ЦАП,

фиг.3 изображает погрешность квантования неидеального ЦАП,

фиг.4 изображает аппроксимацию кумулятивной суммой ШИМ сигнала кумулятивной суммы погрешности преобразования неидеального ЦАП,

фиг.5 изображает аппроксимацию ШИМ сигналом погрешности преобразования неидеального ЦАП,

фиг.6 изображает полученный ШИМ сигнал предыскажения, компенсирующий ошибку преобразования неидеального ЦАП, приведенную на фиг.3,

фиг.7 изображает предыскаженный исходный сигнал, подаваемый на вход неидеального ЦАП, для получения на выходе ЦАП после низкочастотной фильтрации одного периода синуса, показанного на фиг.3 (сигнал на входе ЦАП),

фиг.8 изображает низкочастотные области спектров сигналов, полученных на выходе ЦАП при подаче на вход непредыскаженного и предыскаженного, описанным ниже способом, сигналов.

Предлагаемый способ может быть осуществлен по следующей схеме (фиг.1). Входной сигнал подается на вход блока 1, в котором осуществляется квантование входного сигнала, то есть преобразование входного сигнала во входной код ЦАП. Код с выхода блока 1 подается на вход блока 2. В блоке 2 на основании калибровочных таблиц и поданного на вход кода определяется расчетный сигнал на выходе ЦАП. Разность между входным сигналом и расчетным выходным сигналом ЦАП (инвертированная погрешность преобразования ЦАП) подается на вход блока 3, в котором инвертированная погрешность преобразования ЦАП аппроксимируется квантованным по уровню сигналом (ШИМ предыскажения) такой формы, что его низкочастотная составляющая близка по форме к инвертированной погрешности преобразования ЦАП. Далее сумма кодов с выходов блоков 1 и 3 подается на вход ЦАП. Сигнал с выхода ЦАП подается на фильтр нижних частот (ФНЧ). Сигнал на выходе ФНЧ близок по форме к входному сигналу. Калибровочные таблицы для блока 2 получают для каждого ЦАП в отдельности, измеряя зависимость напряжения на выходе ЦАП от кода на входе ЦАП.

Для формирования в блоке 3 квантованного по уровню сигнала может быть использован, например, хорошо разработанный математический аппарат сигма-дельта преобразования первого и более высоких порядков. Ниже, в качестве примера, будет рассмотрен один из возможных вариантов формирования квантованного по уровню сигнала, далее многоуровневый ШИМ предыскажения. Для заданного сигнала длиной n отсчетов (входной сигнал на фиг.1) вычисляется погрешность преобразования этого сигнала конкретным цифроаналоговым преобразователем на основании измеренной зависимости реального напряжения на выходе данного ЦАП от входного кода (инвертированная погрешность преобразования соответствует входу блока 3 на фиг.1). На фиг.2 приводится, в качестве примера, передаточная характеристика 5-разрядного ЦАП, имеющая ярко выраженную нелинейность. На фиг.3 показаны: исходный сигнал (один период синуса длиной n=512 отсчетов), сигнал, полученный на выходе ЦАП при подаче на вход исходного сигнала (выход блока 2 на фиг.1), и погрешность преобразования исходного сигнала цифроаналоговым преобразователем, вычисленная на основании передаточной характеристики ЦАП, показанной на фиг.2. Далее инвертированная погрешность преобразования аппроксимируется ШИМ сигналом (выход блока 3 на фиг.1).

Для этого вычисляется кумулятивная сумма инвертированной погрешности преобразования по формуле:

,

где S_i - i-й отсчет кумулятивной суммы инвертированной погрешности преобразования ЦАП;

i=1÷n;

Е_k - k-й отсчет инвертированной погрешности преобразования ЦАП.

Затем кумулятивная сумма инвертированной погрешности S аппроксимируется последовательностью целых чисел, как на фиг.4. Многоуровневый ШИМ сигнал предыскажения представляет собой разность соседних отсчетов аппроксимированной кумулятивной суммы инвертированной погрешности:

где - i-й отсчет многоуровнего ШИМ сигнала предыскажения;

- i-й отсчет аппроксимированной кумулятивной суммы инвертированной погрешности преобразования ЦАП;

i=2÷n.

можно взять равным 0. Пример многоуровнего ШИМ сигнала предыскажения приводится на фиг.5 и 6. Далее квантованный входной сигнал суммируется с многоуровневым ШИМ сигналом предыскажения Е^ШИМ и полученный сигнал (см. фиг.7) подается на вход цифроаналогового преобразователя. Сигнал на выходе ЦАП, полученный таким образом, содержит существенно меньше нелинейных гармоник и шумов квантования в области низких частот. На фиг.8 показаны, в качестве примера, части спектров (в диапазоне от нулевой частоты до 1/32 частоты Найквиста) сигналов, полученных на выходе 15-разрядного ЦАП, имеющего нелинейность передаточной характеристики в пределах 0.5 младшего разряда, при подаче на вход ЦАП одного периода синуса непредыскаженного и предыскаженного с помощью многоуровнего ШИМ сигнал предыскажения. В данном примере, при применении описанного выше способа, произошло подавление нелинейных гармоник на 45 дБ.

Предложенный способ позволяет корректировать нелинейные искажения, вносимые реальным ЦАП, без применения специальных схем управления выходами нескольких ЦАП и дополнительных (специальных) формирователей ШИМ сигнала.