一种16位∑_△音频ADC中调制器的设计与实现

摘 要本论文对用于音频的四阶单比特开关电容Sigma-Delta调制器的整个设计过程进行了研究。

首先，调制器采用了输入前馈结构，调制器中有一条从输入到量化器的信号通路，这样输入信号成分将不再出现在环路滤波器中，积分器的输出摆幅就不用像反馈结构那样大，即减小了对积分器输出摆幅的要求。

由于这个优点，调制器的功耗可以较小。

为达到18位有效分辨率ADC的要求，本文选定了合适的调制器阶数、过采样率、量化器位数等。

由于单环结构对模拟电路非理想性和器件失配的不敏感，设计中采用了单环结构来实现四阶调制器。

然后，利用Delta-Sigma Toolbox对设计的调制器进行了理想系统和非理想系统建模，并在Matlab/Simulink环境下进行了仿真，结果显示设计的的调制器在输入信号带宽20 kHz，采样频率5.12MHz时，可达到118.4dB的信噪失真比。

其次，本文对Sigma-Delta调制器的开关电容电路实现进行了分析和设计。

设计的调制器在SMIC 0.18μm 1P6M CMOS工艺条件下实现，包括四个由全差分跨导运算放大器OTA构建的开关电容积分器、一个动态比较器、反馈DAC、两相非交叠时钟电路和带隙基准电压源等模块。

同时，本文还完成了调制器的版图设计。

经Cadence/Spectre仿真器仿真，结果显示调制器各模块性能良好，整体调制器电路可达到108.5dB的SNDR和17.72bits的ENOB。

设计的单环四阶开关电容Sigma-Delta调制器采用SMIC 0.18μm 1P6M CMOS工艺设计实现，采用CRFF结构、一位量化、128的过采样率。

该调制器在输入信号带宽20kHz、采样频率5.12MHz、电源电压1.8 V条件下，SNDR可达到108.5dB，功耗仅3.28mW，适用于音频领域和其他的便携式设备。

关键词：Sigma-Delta调制器；开关电容技术；高精度；音频应用；AbstractIn this thesis, the complete design procedure of a fourth-order single-bit switched-capacitor Sigma-Delta modulator for audio application is presented.Firstly, the input-feedforward topology which has an extra signal path from the input of the modulator to the quantizer is employed, as a result, the signal component will not appears in the loop filter and the voltage swings of integrators do not need to be so large as the feedback topology modulator. Due to this advantage, the power of modulator could be smaller. Then the order of modulator, the oversampling ratio, bits of quantizer are established to meet the requirements of 18-bits ENOB of ADC. A single-loop architecture which is not sensitive to analog non-idealities and component mismatch is adopted. The behavioral model, with and without non-idealities, of modulator is builted with Delta-Sigma Toolbox, and the behavioral simulation results of designed modulator in Matlab/Simulink indicate that the modulator could achieve 118.4dB SNDR(signal to noise and distortion ratio) in a signal bandwidth of 20kHz with a sampling frequence of 5.12MHz.Secondly, the switched-capacitor circuit implementation of Sigma-Delta modulator is analysed and designed. The modulator is implemented in SMIC 0.18μm 1P6M CMOS process, which includes four SC integrators builted with fully differential OTA, a dynamic comparator, feedback DAC, two phases non-overlapping clock circuit and bandgap voltage reference etc. Then the layout of the modulator is also accomplished. Simulated with Cadence/Spectre simulator, performance of all modules is good and the whole modulator circuit achieves 108.5dB SNDR, 17.72bits ENOB.In conclusion, the desiged single-loop fourth-order SC Sigma-Delta modulator implemented in SMIC 0.18μm 1P6M CMOS process is presented in this thesis. The CRFF topology, 1-bit quantizer, 128 OSR are adopted in this modulator, the simulation results demonstrate that the modulator can achieve 108.5dB SNDR in a signal bandwidth of 20kHz with a sampling frequence of 5.12MHz and 1.8V supply, and the power is only 3.28mW, which is applicable to audio application and other portable devices.KeyWord: Sigma-Delta Modulator; switched-capacitor technology; high resolution; audio application;目 录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论................................................................................................................- 1 - §1.1 研究背景、现状及研究意义........................................................................- 1 - §1.2 本文的主要工作及内容安排........................................................................- 3 - 第二章Sigma-Delta调制器的基本原理.....................................................................- 5 - §2.1 奈奎斯特率ADC与过采样ADC................................................................- 5 - §2.2 量化误差与Sigma-Delta ADC关键技术.....................................................- 6 - §2.2.1 量化误差.............................................................................................- 6 - §2.2.2 过采样（oversampling）....................................................................- 8 - §2.2.3 噪声整形（noise shaping）................................................................- 9 - §2.3 Sigma-Delta 调制器体系结构.....................................................................- 11 - §2.3.1 一阶Sigma-Delta调制器..................................................................- 11 - §2.3.2 二阶Sigma-Delta调制器..................................................................- 13 - §2.3.3 高阶单环Sigma-Delta调制器..........................................................- 15 - §2.3.4 MASH结构Sigma-Delta调制器.......................................................- 16 - §2.3.5 多位量化Sigma-Delta调制器..........................................................- 17 - §2.4 Sigma-Delta调制器的性能指标..................................................................- 18 - §2.5 小结............................................................................................................- 19 - 第三章Sigma-Delta调制器系统级设计与仿真........................................................- 20 - §3.1 结构选择及参数确定.................................................................................- 20 - §3.1.1 过采样率选择...................................................................................- 21 - §3.1.2 量化器位数选择...............................................................................- 21 - §3.1.3 调制器阶数选择...............................................................................- 21 - §3.1.4 结构选择...........................................................................................- 22 - §3.2 调制器中各系数的确定.............................................................................- 26 - §3.3 理想系统仿真.............................................................................................- 31 - §3.4 Sigma-Delta调制器非理想性分析..............................................................- 33 - §3.4.1 积分器的非理想性............................................................................- 33 - §3.4.2 开关非理想特性...............................................................................- 35 - §3.4.3 噪声分析...........................................................................................- 37 - §3.5 非理想系统仿真.........................................................................................- 40 -§3.6 小结............................................................................................................- 42 - 第四章Sigma-Delta调制器电路级设计与仿真.......................................................- 43 - §4.1 开关电容积分器的设计.............................................................................- 44 - §4.1.1 积分器中运算放大器的设计............................................................- 45 - §4.1.2 开关电容积分器中开关的选择........................................................- 50 - §4.2 一位量化器的设计.....................................................................................- 51 - §4.3 反馈DAC的设计.......................................................................................- 52 - §4.4 两相非交叠时钟的设计.............................................................................- 53 - §4.5 带隙基准电压源的设计.............................................................................- 54 - §4.6 调制器整体电路仿真.................................................................................- 58 - §4.7 小结............................................................................................................- 59 - 第五章Sigma-Delta调制器版图设计.......................................................................- 60 - §5.1 版图设计考虑.............................................................................................- 60 - §5.2 调制器版图设计.........................................................................................- 61 - §5.3 小结............................................................................................................- 65 - 第六章总结与展望...................................................................................................- 66 - §6.1 论文工作总结......................................................................................- 66 - §6.2 工作展望..............................................................................................- 66 - 参考文献....................................................................................................................- 68 - 致谢..........................................................................................................................- 72 - 作者在攻读硕士期间主要研究成果..........................................................................- 73 -第一章绪论第一章 绪论§1.1 研究背景、现状及研究意义现代社会中，电子产品充斥着人们生活的角角落落。

基于16 bit Sigma-Delta模数转换器的数字滤波器设计作者：赵宏亮， 刘兴辉， 赵毅强， ZHAO Hong-liang， LIU Ying-hui， ZHAO Yi-qiang作者单位：辽宁大学物理学院,沈阳,110036刊名：电子器件英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ELECTRON DEVICES年，卷(期)：2008，31(4)被引用次数：1次1.Nerurkar S B.Abed K H.Siferd R E Low Power Sigma Delta Decimation Filter 20022.Chen Lei.Zhao Yuanfu.Gao Deyuan A Decimation Filter Design and Implementation for Oversampled Sigma Delta A/D Converters 20053.Hogenauer E An Economical Class of Digital Filters for Decimation and Interpolation 1981(02)4.Yonghong Gao.Lihong Jia.Hannu Tenhunen A Fifth-Order Comb Decimation Filter for Multi-Standard Transceiver Applications 20005.Ascari L.Pierazzi A.Morandi C Low Power Implementation of a Sigma Delta Decimation Filter for Cardiac Applications 2001(03)6.Aboushady H.Dumonteix Y.Louerat M M Efficient Polyphase Decomposition of Comb Decimation Filters in Sigma Delta Analog-to-Digital Converters 2001(10)7.邹理和数字滤波器 19828.Samueli H An Improved Search Algorithm for the Design of Multiplierless FIR Filters with Powers-of-Two Coefficients 1989(07)1.学位论文浦寿杰用于VoIP的Sigma-Delta调制器的信号后处理方法的研究2009Sigma-Delta模数转换器(ADC)主要由Sigma-Delta调制器和滤波器组成，相比于传统的ADC，其最主要的优势在于不需要复杂的模拟电路结构，使其成本可以持续下降，同时其数字化特性使之可以集成到其它的数字芯片中，因此，Sigma-Delta ADC在数字信号处理领域内得到了广泛应用。

一种嵌入式16位音频∑-ΔADC的设计开题报告一、选题背景音频采样器作为嵌入式音频处理中的必要功能模块之一，广泛应用于声音的录制与播放、语音数据传输及音频识别等领域。

其中，16位音频∑-ΔADC是一种常用的音频采样器，其特点是精度高、动态范围广、无需校准等。

因此，本次设计选取了16位音频∑-ΔADC作为设计对象，旨在通过设计一个符合实际需求的音频采样器，提高音频处理的效率和精度。

二、设计目标（1）设计一个16位音频∑-ΔADC;（2）采样频率为48kHz;（3）在满足性能和功能要求的前提下，尽可能压缩功耗和面积;（4）满足嵌入式设备的小型化和低功耗要求。

三、设计内容（1）音频采集电路设计：包括前端放大器设计、防抖滤波器设计等；（2）ADC模块设计：包括∑-Δ调制器设计、数字滤波器设计等；（3）时序控制模块设计：将时钟信号和控制信号传输至各个模块；（4）接口模块设计：与外部系统进行数据传输。

四、预期结果设计并实现一款符合实际需求的16位音频∑-ΔADC样机，能够满足48kHz采样率和低功耗、小型化等要求。

通过实验和测试，评估其性能指标，包括信噪比、失真率、线性度等，并可对性能和设计进行优化改进。

五、参考文献[1] Lu C，Xia C，Zhang T. Design and Implementationof SIGMA-DELTA ADC in I2S Interface for Music Players[J]. Journal of Information and Computational Science,2014, 11(1):221-228.[2] Sun J，Zhao D，Xie T，et al. A Low Power Column-Parallel Readout Circuit for High-Speed CMOS Image Sensor[J]. Journal of Electronic Science and Technology,2019, 6(2):160-167.[3] Kim H，Choi J. Design of an Ultra-Low Power Sigma-Delta Analog-to-Digital Converter for Biomedical Sensor Nodes[J]. Journal of Information Science and Engineering,2014, 30(2):345-359.。

16通道声发射同步数据采集中的电路设计1. 引言1.1 研究背景16通道声发射同步数据采集系统是一种广泛应用于实时数据采集与处理领域的重要设备。

随着科学技术的不断发展和进步，人们对于声发射数据采集系统的要求也越来越高，尤其是在实时性、准确性和稳定性方面的需求日益增加。

目前市面上的声发射数据采集系统在16通道同步数据采集方面存在着诸多问题，如数据丢失、时序不同步等。

研究16通道声发射同步数据采集中的电路设计成为当前科研工作者关注的焦点之一。

通过对该领域的深入研究和实验，我们可以寻找到更加准确、稳定和高效的电路设计方案，从而提高系统的性能表现和数据采集的准确性。

这不仅对于声发射数据采集系统的应用具有重要意义，也对于推动相关技术的发展和实现科学研究具有积极的推动作用。

1.2 研究目的研究目的是为了设计一种适用于16通道声发射同步数据采集的电路，实现高效稳定的数据采集功能。

通过研究不同的电路设计原理和硬件设计模块，我们旨在提高数据采集的精度和速度，以满足各种实时数据采集需求。

通过电路测试方法和性能分析，我们可以评估所设计电路的稳定性和准确性，为进一步的优化方案提供依据。

研究的最终目的是为了实现对16通道声发射同步数据采集过程的全面控制和监测，以提高数据采集的效率和可靠性，并为相关领域的研究和应用提供支持。

通过本研究，我们希望能够为声发射数据采集领域的技术发展和应用提供新的思路和方法，促进相关领域的进步和发展。

1.3 研究意义在当今数字时代，数据采集和信号处理技术得到了广泛的应用。

16通道声发射同步数据采集中的电路设计是一项重要的研究课题，对于提高数据采集的精度和效率有着重要的意义。

通过对16通道声发射同步数据采集电路的设计研究，可以提高数据采集系统的稳定性和可靠性。

在实际应用中，数据采集系统需要在复杂的环境下工作，如电磁干扰、温度变化等，因此需要设计出具有良好抗干扰能力的电路，以确保数据的准确性和可靠性。

16-Bit三阶级联结构Sigma-Delta调制器的设计作者：李威李开航王亮来源：《现代电子技术》2010年第04期摘要:设计一款可应用于压力传感器的高精度三阶2-1级联结构Sigma-delta调制器。

Matlab Simulink建模仿真表明,信号带宽为500 Hz,过采样率为128的情况下,该调制器信噪比高达119 dB。

通过对调制器非理想因数的分析,采用典型的0.35 μm工艺整体实现该调制器,并用Spectre仿真,电路信噪比可达106.2 dB,高于16位要求的98 dB,整个调制器的功耗约为7 mW。

关键词:Sigma-Delta调制器;Simulink行为建模;信噪比;开关电容电路中图分类号:TN710文献标识码:B文章编号:1004-373X(2010)04-012-04Design of 16-Bit Third Order Cascade Sigma-Delta ModulatorLI Wei,LI Kaihang,WANG Liang(Xiamen University,Xiamen,361005,China)Abstract:A third order single bit 2-1 cascade sigma-delta modulator which can be applied to pressure sensor is presented.The sigma-delta modulator design flow contains system level and circuit level design.The oversampling ratio is 128 and signal bandwidth is 500 Hz.SNR achieves 119 dB by means of behavior modeling simulations with Matlab Simulink and exceeds 106 dB under circuit level.The whole modulator power consumption is estimated around 7 mW.Keywords:Sigma-Delta modulator;Simulink behavior modeling;SNR;SC circuits0 引言随着集成电路技术高速发展,Sigma-Delta ADC因为其对工艺非理想因素抗干扰能力强和数字CMOS工艺兼容性好,以及高精度的特点,而广泛地应用于中低速的ADC中。

16位sar adc数字校准算法及数字电路设计16位SAR ADC数字校准算法及数字电路设计1. 前言16位SAR ADC（Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converter）是一种高精度、高速度的模数转换器，广泛应用于工业控制、医疗仪器、通信设备等领域。

数字校准算法和数字电路设计对于提高16位SAR ADC的性能至关重要。

2. SAR ADC工作原理SAR ADC是一种逐次逼近寄存器型模数转换器，其工作原理是通过逐步逼近对模拟输入信号进行量化。

SAR ADC将输入信号与一个DAC （数模转换器）的输出进行比较，得到一个比较结果，然后将这个比较结果送入一个寄存器中进行逐位逼近。

每次比较完成后，SAR ADC 会得到一个近似的数字输出，经过多次迭代后，得到最终的数字输出结果。

3. SAR ADC数字校准算法为了提高16位SAR ADC的精度和稳定性，数字校准算法至关重要。

数字校准算法主要包括零点和增益校准两个方面。

在零点校准中，通过降低输入失调和增益误差，减小偏差并消除误差。

在增益校准中，通过修正不稳定的增益和零点漂移，提高转换器的稳定性。

4. 数字电路设计16位SAR ADC的数字电路设计需要考虑多个方面，包括输入电路设计、时序分析、功耗优化等。

在输入电路设计中，需要考虑输入阻抗匹配、信号放大和滤波等问题。

时序分析则需要确保各个模块之间的数据传输和控制信号的正确性和稳定性。

另外，功耗优化也是数字电路设计的重要任务，需要合理布局电路结构、选择合适的工艺参数和优化布线等。

5. 个人观点和理解对于16位SAR ADC数字校准算法及数字电路设计，我认为数字校准算法是关键的技术之一，能有效提高16位SAR ADC的性能。

而在数字电路设计中，要考虑的因素很多，需要全面考虑各个方面的需求，并在设计中做出合理的权衡。

只有在数字校准算法和数字电路设计两个方面都做到精益求精，才能生产出高性能的16位SAR ADC。

16位音频sigma-delta AD转换器关键设计技术研究的开题报告开题报告：16位音频sigma-delta AD转换器关键设计技术研究一、研究背景随着音频技术的不断进步，音频数据的精度和采样率的要求也不断提高。

目前，16位音频采样已经成为主流，而采样率也逐渐向更高的水平发展。

对于音频采集系统的AD转换器，高精度和高速度也成为了研究热点。

sigma-delta AD转换器通过技术手段实现了高精度、高速度的音频数据采集。

同时，随着集成电路技术的不断发展，CMOS技术的成熟和DSP技术的应用也为sigma-delta AD转换器的设计提供了支持。

因此，研究16位音频sigma-delta AD转换器关键设计技术，对于提升音频采集系统的采样精度和速度有着重要意义。

二、研究内容1. sigma-delta AD转换器的原理及其在音频采集中的应用2. sigma-delta调制器设计技术3. 数字滤波器设计技术4. 微分放大器设计技术5. Feedforward路径设计技术6. 低噪声电源设计技术7. 前端电路和电源抗干扰设计技术8. 仿真和测试技术三、研究意义1. 提高音频采集系统的采样精度和速度。

2. 为音频信号数字化和传输等领域提供技术支持。

3. 推动 sigma-delta AD转换器技术的发展。

四、研究方法1. 文献调研2. 现有 sigma-delta AD转换器设计的分析和总结3. 初步设计和仿真4. 电路实现和测试验证五、预期成果1. 设计一个16位音频sigma-delta AD转换器电路2. 在电路实现和测试验证中获取采样精度和速度数据3. 发表论文或参加相关学术会议六、研究进度安排1. 第一年：文献调研、sigma-delta AD转换器的原理及应用研究、初步电路设计和仿真。

2. 第二年：电路实现、测试验证和结果分析、论文撰写。

七、研究环境和条件1. 设计软件： Cadence、MATLAB等2. 实验设备：数字示波器、信号发生器等3. 数据库：Web of Science、CNKI、SCI等八、研究团队本研究由4名本科生和1名导师组成的小组进行。

16通道声发射同步数据采集中的电路设计随着科技的不断进步，数据采集技术在各个领域都得到了广泛的应用，声发射数据采集技术在声学领域中占据着重要地位。

而在16通道声发射同步数据采集中的电路设计方面，更是需要精密的技术和专业的知识来实现。

本文将重点介绍16通道声发射同步数据采集电路的设计原理和关键技术，希望能够为相关领域的工程师和研究人员提供一些帮助和借鉴。

1. 系统概述在16通道声发射同步数据采集系统中，需要设计一个能够同时采集16个声发射信号并进行同步处理的电路。

这个电路需要具备高精度、高稳定性和高可靠性的特点，以保证采集到的数据具有较高的准确性和可靠性。

这个电路还需要具备一定的抗干扰能力，能够有效地抵抗来自外部环境的各种干扰信号。

2. 电路设计原理在16通道声发射同步数据采集电路设计中，关键的原理包括信号放大、滤波、模数转换和同步控制等。

对采集到的声发射信号进行放大处理，以保证信号的幅度能够满足后续处理的要求。

需要对信号进行滤波处理，去除其中的噪声和杂频成分，以保证采集到的信号是纯净的。

然后，对处理后的信号进行模数转换，将其转换为数字信号，以便于后续的数字信号处理。

需要设计一个同步控制电路，对16个通道的数据进行同步采集和处理，以保证数据的同步性和一致性。

3. 关键技术在16通道声发射同步数据采集电路设计中，有几个关键的技术需要特别注意。

首先是放大电路的设计，这需要根据实际的声发射信号幅度范围和噪声水平来确定放大倍数和放大器的参数。

其次是滤波电路的设计，需要根据声发射信号的频率范围和噪声成分来确定滤波器的类型和参数。

模数转换器的选择和同步控制电路的设计也是关键技术，需要根据系统的要求和性能指标来选择合适的器件和参数。

还需要考虑电路的抗干扰能力，采取一定的防护措施和抗干扰电路设计，以保证系统的稳定性和可靠性。

4. 电路实现在实际的16通道声发射同步数据采集电路中，可以采用模拟电路和数字电路相结合的方式来实现。

16通道声发射同步数据采集中的电路设计在16通道声发射同步数据采集系统中，电路设计是核心技术之一。

本文将着重介绍16通道声发射同步数据采集中的电路设计，包括硬件电路和软件设计。

硬件电路设计硬件电路设计主要包括信号采集电路、放大滤波电路、同步信号电路和控制电路四个部分。

信号采集电路信号采集电路用于接收来自发射器的音频信号。

该电路应具备足够的输入阻抗和高通滤波器。

由于发射器输出的信号不稳定，为了避免电路干扰带来的噪声，输入阻抗应设为高阻值，一般在几百K欧姆以上。

同时，由于信号中存在低频噪声，应设计高通滤波器。

常见的高通滤波器有RC电路和运算放大器电路。

放大滤波电路放大滤波电路主要用于将输入的音频信号放大，并滤除其它频率的信号。

该电路应满足音频信号的频率响应，同时应避免过度放大引起失真。

一般采用多级的放大滤波电路，其中核心是运算放大器电路。

同步信号电路用于控制ADC（模数转换器）的采样时钟，保证各通道的采样时刻保持一致。

系统可以使用GPS信号或外部时钟信号作为同步信号源，也可以使用内部的基准时钟信号提供同步。

控制电路控制电路主要用于控制硬件电路的工作状态和保护电路，如atmega32u4微控制器、保险丝、电源管理电路等。

软件设计软件设计主要包括DSP算法的实现和数据采集及处理的程序设计。

DSP算法的实现DSP算法主要用于对输入信号进行数字信号处理，处理过程包括滤波、降噪、混响等处理。

常用的DSP处理器有TI的TMS320C5x系列和C6x系列、ADI的Blackfin系列和SHARC 系列等。

其主要任务是将输入的模拟信号转换为数字信号，然后对数字信号进行数值计算，最后将处理结果输出成模拟信号。

数据采集及处理的程序设计数据采集及处理的程序设计主要负责完成音频数据的采集和处理。

在音频数据采集阶段，应考虑通道数目、采样率、量化位数等各种因素。

一般来说，16通道采样率为48kHz，量化位数为24位。

在采集到音频数据后，应进行混音、滤波和处理，最终将处理后的数据存入SD卡或传输至计算机中进行进一步分析。

一种16位高速AD转换器采样保持电路的设计的开
题报告
1. 研究背景
随着科技的迅猛发展，AD转换器作为一种重要的电子元器件已经在很多领域得到了广泛的应用。

16位高速AD转换器采样保持电路作为AD 转换器中的重要组成部分，其设计对于提高采样率、增强信号精度具有十分重要的作用。

2. 研究目的
本研究旨在设计一种适用于16位高速AD转换器的采样保持电路，以提高AD转换器的性能，使其能够更好地满足新型电子产品对于高速、高精度信号采集的需求。

3. 研究内容
本研究将主要涉及以下内容：
(1) 16位高速AD转换器的选型和特性分析。

(2) 采样保持电路的基本原理和设计方法。

(3) 采样保持电路中信号放大环节的设计。

(4) 采样保持电路中继电器的选型和参数计算。

(5) 模拟信号的防抖与滤波处理。

(6) PCB布局与线路优化。

4. 研究意义
本研究的成果对于提高16位高速AD转换器的性能、增强信号采集的精度，提高新型电子产品的可靠性和竞争力具有一定的现实意义和应用价值。

5. 研究方法
本研究将采用理论研究与实际工程相结合的方法进行，通过阅读相关文献、分析学术资料，并结合实际工程设计、模拟分析、实物测试等方法来完成所需的研究内容。

6. 预期成果
本研究预期将设计出一种适用于16位高速AD转换器的采样保持电路，实现对信号采集的高速、高精度、低噪音的处理和传输，提高AD转换器应用的性能，具有一定的创新性和实用价值。

一种16位音频Σ-Δ DAC的设计与实现的开题报告
问题陈述：
音频DAC（Digital-to-Analog Converters）是将数字信号转换成模拟信号的一个重要器件，应用于音频人机接口、音频播放器、音频采集、音频处理等领域。

Σ-Δ调制是一种比较流行的数字信号处理技术，Σ-Δ DAC是一种基于Σ-Δ调制实现的音频DAC。

本课题将研究一种16位音频Σ-Δ DAC的设计与实现。

该DAC应能够满足音频播放、
音频采集、音频处理等应用场景的要求，具有较高的信噪比、低失真、低功耗等特点。

计划的研究内容：
1. 研究Σ-Δ调制的原理和实现方法，了解各种Σ-Δ调制器的特点和性能指标，掌握Σ-Δ
调制器的设计流程和实现技巧；
2. 设计16位音频Σ-Δ DAC的数字部分，将数字信号转换成Σ-Δ调制器的输入信号，优化Σ-Δ调制器的性能指标，包括信噪比、失真、动态范围等；
3. 设计16位音频Σ-Δ DAC的模拟部分，将Σ-Δ调制器的输出信号转换成模拟信号，优化模拟电路的性能指标，包括信噪比、失真、输出功率等；
4. 对设计的16位音频Σ-Δ DAC进行仿真和测试，验证其满足音频播放、音频采集、
音频处理等应用场景的要求，评估其性能指标，对设计进行改进和优化。

预期的研究结果：
1. 实现一种16位音频Σ-Δ DAC的设计与实现，具有较高的信噪比、低失真、低功耗
等特点，能够满足音频播放、音频采集、音频处理等应用场景的要求；
2. 验证所设计的16位音频Σ-Δ DAC的性能指标，包括信噪比、失真、动态范围等；
3. 对设计的16位音频Σ-Δ DAC进行改进和优化，提高其性能指标，包括信噪比、失
真等。

16通道声发射同步数据采集中的电路设计随着科学技术的不断发展，声发射同步数据采集技术在音频处理领域中得到了广泛的应用。

16通道声发射同步数据采集是一种常见的技术，它可以同时采集并处理来自16个不同通道的声音信号，为人们提供了更加丰富的音频处理体验。

在这种技术中，电路设计起着至关重要的作用，它直接影响着声发射同步数据采集系统的性能和稳定性。

本文将重点探讨16通道声发射同步数据采集中的电路设计问题。

一、电路设计的基本原理在进行16通道声发射同步数据采集的电路设计时，需要考虑以下几个基本原理：1. 信号采集：对于每一个声音信号通道，需要设计相应的信号采集电路。

这个电路需要能够捕捉和放大声音信号，同时抑制噪音和干扰。

2. 数据同步：各个声音信号通道采集的数据需要能够同步，以确保整个系统的数据稳定性和一致性。

3. 数据传输：采集到的声音数据需要能够有效地传输到后续的处理单元，如数字信号处理器或者计算机。

二、电路设计的关键问题2. 数据同步电路的设计：在多个声音信号通道采集数据的需要确保这些数据的同步性。

需要设计一个数据同步电路，以确保各个通道的数据能够同步到统一的时钟信号下，保证数据的一致性。

以上关键问题需要在电路设计中得到有效的解决，以确保整个声发射同步数据采集系统的性能和稳定性。

三、电路设计的解决方案在面对以上关键问题时，可以采用以下解决方案进行电路设计：3. 数据传输电路的设计：可以采用高速数据传输接口，如PCIe接口或者以太网接口，将采集到的声音数据快速、稳定地传输到后续的处理单元。

可以采用缓冲电路和差分信号传输技术，进一步提高数据传输的速度和稳定性。

四、电路设计的实现和应用在完成电路设计后，需要进行实际的电路制作和应用测试，以验证电路设计的可行性和可靠性。

1. 电路制作：可以设计PCB电路板，将信号采集电路、数据同步电路和数据传输电路进行布局和连接。

可以使用高品质的元器件和连接线路，以确保整个电路的稳定性和可靠性。

过采样∑-△A／D转换器以其高精度和易于用标准数字CMOS工艺实现的特点而被广泛应用，并越来越多地集成到片上系统(SOC)中。

∑-△ADC采用的是过采样和低位量化结合的方法，能够避免使用高精度模拟电路，将噪声推向高频，具有分辨率高、量化结构简单等优点。

降采样滤波器作为过采样∑-△A／D转换器的重要组成部分，用于滤除基带信号带外噪声和降低抽样频率至临界抽样频率。

目前国内∑-△ADC的研究主要集中在音频领域，带宽20 kHz。

本文介绍了一种带宽150 kHz、16 bit∑-△模数转换器中的降采样滤波器的设计与实现。

1 ∑-△ADC的主要性能指标信号与噪声加失真比(SINAD)是直流到奈奎斯特频段内，正弦波的RMS(均方根，表示交流信号的有效值或有效直流值)值与转换器噪声的RMS值之比，包括谐波成分。

信噪比(RSN)是直流到奈奎斯特频段内，正弦波的RMS值与转换器噪声的RMS 值之比。

无杂散动态范围(SFDR)是RMS信号幅度与最大杂散频谱分量RMS值的比率。

总谐波失真(THD)是出现在输入频率整数倍频点(谐波)失真的RMS值与输入(或输出)正弦波的RMS值之比。

有效位数(ENOB)与SINAD的关系为本设计要达到的性能指标是ENOB≥14 bit；SINAI)≥86 dB；SFDR≥92 dB；THD≤一90 dB；信号带宽为150 kHz；精度为16 bit。

2 调制器的系统设计2．1 低阶∑-△调制器本文设计了一个滤波器各级位数动态可调的方法，对降采样滤波器各级输入、输出位数各种可能的情况进行分析，得到最终的各级滤波器的输入输出数据位数如表6所示。

4．1．4 时钟的处理系统用到了多个分频时钟，为了方便后面布局布线做时钟树，本设计采用计数器产生使能信号进行分频。

4．1．5 Design Compiler综合本设计采用SMIC 0．18μm CMOS工艺库，将编写的Verilog代码用Synopsy 的Design Compiler综合，通过加上适当的约束条件反复优化，最终得到综合结果。

图1 ∑-△调制器∑-△调制器包含1个差分放大器、1个积分器、1个比较器以及1个由1bit DAC(1个简单的开关，可以将差分放人器的反相输入接到正或负参考电压)构成的反馈环。

反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。

调制器输出中“1”的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的“1”，反之亦然。

积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。

这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。

和前面的简单过采样相比，总的噪声功率没有改变，但噪声的分布发生了变化．现在，如果对噪声成型后的∑-△调制器输出进行数字滤波，将有可能移走比简单过采样中更多的噪声。

这种调制器(一阶)在每两倍的过采样率下可提供9dB的SNR改善。

在∑-△调制器中采用更多的积分与求和环节，可以提供更高阶数的量化噪声成形。

例如，一个二阶∑-△调制器在每两倍的过采样率可改善SNR 15dB。

图2显示了∑-△调制器的阶数、过采样率和能够获得的SNR三者之问的关系。

图2 SNR与过采样率的关系3．数字滤波和抽取∑-△调制器以采样速率输出1bit数据流，频率可高达MHz量级。

数字滤波和抽取的目的是从该数据流中提取出有用的信息，并将数据速率降低到可用的水平。

∑-△ADC 中的数字滤波器对1bit数据流求平均，移去带外量化噪声并改善ADC的分辨率。

数字滤波器决定了信号带宽、建立时间和阻带抑制。

∑-△转换器中广泛采用的滤波器拓扑是SINC3，一种具有低通特性的滤波器。

这种滤波器的一个主要优点是具有陷波特性，可以将陷波点设在和电力线相同的频率，抑制其干扰。

陷波点直接相关于输出数据速率(转换时间的倒数)。

SINC3滤波器的建立时间三倍于转换时问。

例如，陷波点设在50Hz时(60Hz数据速率)，建立时间为3／60Hz=50ms。

有些应用要求更快的建立时间，而对分辨率的要求较低。

一种低功耗16bit音频Sigma-Delta调制器的设计
景新幸;包远鑫;胡胜
【期刊名称】《微电子学与计算机》
【年(卷),期】2013(30)9
【摘要】设计了一款工作在1.8V电源电压下、功耗仅为1.8mW、精度为16bit,优化系数(FOM)达170的音频sigma-delta调制器.其过采样率为128,采用3阶噪声整形.为了降低功耗,采用前馈结构以及单比特量化.通过采用PMOS管实现局部反馈,有效提升了调制器性能.调制器采用SMIC 0.18μm工艺实现,通过对系统结构和运算放大器、比较器等电路子模块的分析,完成整体电路和版图设计.在SS工艺角下,仿真表明本文设计的调制器性能良好,在20kHz的带宽内可达到100.8dB 的信噪比(SNR),折合有效位16bits精度要求.
【总页数】4页(P115-118)
【关键词】Sigma-Delta调制器;开关电容积分器;运算放大器;动态比较器
【作者】景新幸;包远鑫;胡胜
【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN710.2
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