高精度实用数模转换电路设计

高新技术　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＣｏｎｓｕＩ　高精度实用数模转换电路设计　陈军　（莆田学院电子信息工程学系　福建莆田　３５１　１００）　摘要：本文介绍了基于高精度１２位Ｄ／Ａ转换器ＤＡＣ７５１２、单片机８９Ｃ５１和带隙基准源的实用型数模转换电路。通过一实际的应　用电路讲述了电路的结构、原理及分析，并给出了一个具体的应用示例程序。该数模转换电路精度高、输出稳定、电路简单实用。　关键词：带隙电压基准源ＤＡＣ７５１２　应用程序　中图分类号：ＴＰ　３９１．９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—０５３４（２００７）Ｏ４（ｂ）０００１—０２　数模转换电路是电子系统中不可或缺　的一个组成部分，而数模转换的精度问题　又是衡量一个数模转换电路优越与否的一　个重要技术指标之一。传统的数模转换电　路在精度问题的解决上常常只考虑了Ｄ／Ａ　芯片的位数问题而忽略了Ｄ／Ａ芯片的参　考电压的稳定性对转换结果的影响。　本文介绍了基于１　２位高精度Ｄ／Ａ转　换芯片（ＤＡ　Ｃ７５　ｌ　２），采用带隙基准电压源作　为转换的参考电压并结合单片机组成的一　个实用数模转换电路，可以进一步提高数　模转换的精度。　１电路及原理　如图１所示为以１２位串行数模转换芯片　ＤＡＣ７５１２为核心的ＤＡＣ转换电路实际连接　图．ＤＡＣ７５１２的工作电源（ｕｐ转换的参考电压）　由带隙基准电压提供从而进一步提高输出电　压的稳定性，ＤＡＣ７５１２所需的时钟信号、控　制信号以及串行输入的转换数据由单片机提　供。以下将分别讨论各部分原理。　２　ＤＡＣ７５１２的应用　ＤＡｃ７　５１　２为低功耗１　２位串行输入的　数模转换芯片，当同步信号ＳＹＮＣ为低电　平（即有效）之后，每一个ＳＣＬＫ时钟信号的　下降沿ＤＡｃ７　５１　２读取一位ＤＩＮ端ＩＺｌ的数　据，并更新内部移位寄存器的内容。直到　１６个ＳＣＬＫ时钟周期之后完成了一个完整　的读取周期。同步信号ｓＹＮｃ上升沿之后　ＤＩＮ端口上的数据无效，并且ＤＡＣ７５１２开　始数模转换　下一个数据需要转换，其操　作只需重复上述过程。　１６个ＳＣＬＫ时钟信号过后从ＤＩＮ端口上　读取到内部寄存器的数据如图２所示，其中　ＤＢ　ＤＢ，　为无效位，ＤＢ　ＤＢ　，为工作模　式设置控制字，本文的应用中将Ｄ．　Ｄ　令为０ｏ　（即普通工作模式，其它工作模式请见参考文献　３）Ｄ１　１ＮＤ　为需要转换成相应模拟信号数值的数　据。　如图１中的连接方式，设Ｄ＝（Ｄ　，Ｄ　。Ｄ。Ｄ　Ｄ，Ｄ　Ｄ　Ｄ　Ｄ　Ｄ，Ｄ　Ｄ　）那么经过数模转换后输　出的模拟电压的数字如下公式：（Ｖ　表示　输出的模拟电压值，Ｖ　表示图１中接的参　考电压的数值）　。　……（式１）　‘＇Ｕ７Ｕ　根据上式可知，Ｄ／Ａ转换的结果与　Ｖ　密切相关，其稳定与否直接决定了Ｄ／Ａ　转换结果的稳定性。传统的数模转换电路往　往直接将工作的电源电压作为参考电压，长期　工作温度的变化引起Ｖ　的浮动将影响数模　转换的正确性，特别对于１　２位的这种高精度　转换参考电压的变化引起的错误尤为敏感。　因此，这里采用了带隙基准源作为参考电压可　以进一步保证Ｄ／Ａ转换的准确度。　∞鼍　丁　Ｔ　圈１　３带隙基准源　如图１中示：Ｒ．、Ｒ，、Ｒ　、　Ｑ．、Ｑ，、运放Ａ构成了带隙基准　源的经典模式。　根据半导体物理理论的推导结　论，流过ＰＮ结的电流计算如下式：　里竺　ｆ＝，　一１）　……（式２）　其中Ｉ　为反向饱和电流，ｑ为　电子电量，ｋ为玻尔兹曼常数，Ｔ　为热力学温度。通常将ｋｔ／ｑ用　Ｕ　Ｔ来表示，则：ｉ＝Ｊ　（ｅ　～１）　（Ｔ＝３００　Ｋ时，ＵＴ　２６ｍｙ）　当Ｐ　Ｎ结处于正向偏置的时　候上式又可写成：　ｉ　，　·ｅ　因此有：　同理：　．１ｎ老　Ａ为标准运放，且引入深度负反馈所以同　反向端电压相等。因此有：　Ｉ１Ｒ１ＴＭＩ２Ｒ２　…一①　，＝Ⅳ助Ｉ一　∞２＝　·Ｊｎ（｛Ｌ。　）　１２　１　ｌ　ｔ　：Ｕｒ．１ｎ（　．　……　＝　ｌ＋，ｌ墨＝　１＋』２　：　ｌ＋二　ｊ　唔·　…（式３）　公式（３）即为基准源的电压公式，分析　可知输出的基准电压与工作电源无关，且　ｕＥＢ　１为负温度系数、Ｕ　Ｔ为正温度系数形　成互补，只要选择合适的电阻比值，理论上　可获得零温飘的基准电压。根据以上推导　可知采用带隙基准源提供数模转换的参考　电压可以进一步保证数模转换的精度。　４应用程序举例　下列为图１所示原理图对应的利用Ｄ／　Ａ芯片产生锯齿波的程序。　＃ｉｎｃｌｕｄｅ”ｒｅｇ５１．ｈ”　ｓｂｉｔ　ＤＩＮ＝Ｐ１　０ｌ／　串行数据输入　／　ｓｂｉｔ　ＣＬＫ＝Ｐ１　１｝／＋串行时钟输入＋／　ｓｂｉｔ　ＳＹ＝Ｐ１＾２　ｌ／＋输入控制信号（低　电平有效）＋／　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｉｎｔ　ｏｕｔｐｕｔ，ＯＰ　ｌ　ｖｏｉｄ　ｄｅｌａｙ（ｖｏｉｄ）ｌ　ｖｏｉｄ　ｄａｓｅｎｄ（）ｌ／＊ｄａ子模块＋／　ｖｏｉｄ　ｓｅｎｄ（）ｌ　给定一个数，ＤＡ发　送模块＋／　ｖｏｉｄ　ｍａｉｎ（）　｛　ｗｈｉｌｅ（１）　｛ｄａｓｅｎｄ（）ｌ｝　｝　ｖｏｉｄ　ｄａｓｅｎｄ（）　｛ｉｎｔ　ｉｌ　ｆｏｒ（ｉ＝０ｌｉ＜４０９６ｌｉ＋＋）／＋发送的区间　为４０９６，２的１２次方＋／　｛ＯＰ＝ＯｘＯｆｆｆ—ｉ｝　／＊ｉ是由０递增　的，则ＯＰ是由４０９５递减到０的＋／　ｏｕｔｐｕｔ＝ＯＰ　ｌ　／＊ｏｕｔｐｕｔ表示当前ｄａ　发送出去的数＋／　ｓｅｎｄ（）ｌ　｝　／＋向ｄａ发送串行数　ＵＢＪ＿．￣Ｉ　／　，１＝ｆ。１＝Ｉｓ１　ｅｅ　，，２＝ｆ　２＝，　２·ｅ　ｆｏｒ（ｉ：０ｌｉ＜４０９６ｌｉ＋＋）　／＋与上　‰－Ｕｒ．　却　砉　撇’这　／　科技咨询导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌ

ｄ　维普资讯 http://www.cqvip.com 基于谱分析ＭＦＳＫ信号调制方式的自动识别　李耐根　（新余高等专科学校　江西新余　３３８０００）　高新技术　摘要：本文提出了一种基于功率谱特征的ＭＦＳＫ信号调制方式分类与识别的方案，该方案直接从信号的功率谱中提取一种顽健性强的　特征参数，在不需要先验知识的情况下对ＭＦＳＫ信号的调制方式进行了分类与识别，本文采用了ＭＡＴＬＡＢ软件对两类信号进行了仿真。　仿真结果表明，在信噪比大于５ｄＢ时其总体识别率可达９８％以上，在信噪比大于１０ｄＢ时其总体识别率可达９９％以上。该方案具有实用　性和可用性。　关键词：调制识别功率谱分类参数　中图分类号：ＴＮ９　１　１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３一Ｏ５３４（２００７）Ｏ４（ｂ）一０００２—０２　通信信号调制样式的自动识别广泛用　于军用通信与民用通信中，比如信号的确　认、信号的监控、干扰辨识、电子对抗，电　子救援、软件无线电等。通信信号的自动　识别技术是软件无线电系统的重要组成部　分。因为只有正确地估计信号的调制方式　和参数，才能正确地解调。另外，在民用方　面，在频谱监视设备中采用调制识别技术，　有助于提高系统对不同用户的区分能力，　确定未知干扰信号的性质，为管理人员提　高解决问题的依据。本文主要从功率谱的　角度讨论了对２ＦＳＫ与４ＦＳＫ两类信号的分　类与识别，最终结果表明，提取的特征参数　对两类信号的分类效果好。　１　２ＦＳＫ与４ＦＳＫ信号的功率谱及其特征参数　分析　调制信号识别的关键是特征参数的提取　与计算，本文主要分析了２ＦＳＫ与４ＦＳＫ信号　的功率谱的特征，并提取了功率谱谱峰个数ｎ　和功率谱谱峰间距均匀性ｏ　参数。　１．１信号的功率谱　设｛ｂｎ｝为数字基带序列，载波信号为　疗《，）＝ｃｏ雪（￡　＋　）　则２ＦＳＫ信号的时域表达式为：　岛　（ｆ）＝ｃ镐（∞ｏｆ＋　＋０），（ｎ—１）　≤ｆ≤”　其中Ｔ　是码元周期，　∈｛－Ｌ］｝．　是频　偏。　２ＦｓＫ信号的功率谱函数为：　（，）＝（　／８）｛Ｓａ　ｌ　（，一　）　ｌ＋　ｌ　（ｆ一．　）　Ｊ｝＋ｌ　（，一　）＋　（，一Ｚ）］ｆｓ　ｆ　、ｆ，是两个载波频率，可见２ＦＳＫ的　频谱由连续谱和离散谱组成，离散谱就是ｆ　和ｆ、两个载波频率冲激分量。　４ＦＳＫ信号的时域表达式为：　（ｔ）＝ｃ０８（　Ｈ　＋０），　（ｎ—１）　ｔ　ｓ　，其中　∈｛０，Ｉ，２，３｝　４ＦＳＫ信号的功率谱密度为：　，　（，）＝（　，８）｛＆ｌ　［　（，一　）　］＋ｓ　［－（Ｉ一　）　］＋　＆　［膏（，一　）　］＋＆ｒ　［　（，一　）　］｝　＋ｆ　５（ｆ—ｆＪ＋５（ｆ—　）＋５（ｆ一　）＋５（ｆ—　）ｊ／８　ｆ　、ｆ，、ｆ　、ｆ　是四个载波频率，４ＦＳＫ　的功率谱由连续谱和离散谱组成，离散谱就是　ｆ　、ｆ，、ｆ　和ｆ　四个载波频率冲激分量。从　以上可以看出，２ＦＳＫ与４ＦＳＫ的功率谱分别　包括了两个和四个载波频率冲激分量。　１．２参数ｎ及Ｏｄ　因２ＦＳＫ的功率谱含有２个载波频率冲激　分量，而４ＦＳＫ的功率谱含有４个载波频率冲　激分量，因此，首先可以根据功率谱计算参数ｎ　来区分两类信号。对于功率谱的估计，由　于现代功率谱估计比经典功率谱估计具有　更好的频率分辨率和能够得到更平滑的波　形，我们通常是运用现代谱估计中的ＡＲ模　型谱估计法来得到较平滑的功率谱波形，　这样更有利于我们计算谱峰的个数ｎ。但　对于这两类信号，它们的功率谱波形也会　出现３个谱峰的情况。当用ＡＲ模型估计　２　Ｆ　Ｓ　Ｋ信号的功率谱时，如果阶数取得过　大，会导致分辨率过高而出现３个谱峰的　情况（图ａ）。而对于４ＦＳＫ信号，当阶数取得　过低或频偏过小或信息符号分布不均衡　时，都会导致其功率谱出现３个谱峰的情　况（分别为图ｂ、Ｃ、ｄ）。以下是用ＡＲ模型　的Ｂｕｒｇ算法求出的２ＦＳＫ与４ＦＳＫ的功率　谱出现３个谱峰的图形，仿真参数为：信号　的载频为２００ＫＨｚ，码率为１００ＫＨｚ，采样率为　１６００ＫＨｚ，信号的信噪比为１０ｄＢ。　从以上我们看出：当出现３个谱峰时，　２ＦＳＫ的功率谱中３个谱峰几乎是等间距的；　而４ＦｓＫ对应的功率谱中各谱峰明显是不等间　距的。因此，我们可用反映谱峰间距均匀的参　数ｏｄ来区分两类信号。参数Ｏ　定义如下：　耐：　（喜　］（姜　）耐　√毒Ｉ善　』一Ｉ专善　ｊ　１．３功率谱谱峰个数的ｎ计算算法　有关谱峰数目的计算可以分析离散谱一　阶差分序列的符号变化，设　ｄｐ（ｎ）＝ｐｘ（ｎ＋１）一　力）ｎ＝Ｏ，１，２…．，　Ｎ－２式中Ｎ为样本总数，ｄａｎ）是对连续谱　等间隔采样值，若信号频率是频率采样间隔的　整数倍，则离散谱和连续谱的峰值点重合，峰　值对应的频率位置也相同，在这种情况下可以　估计信号载波的频率。如果ｄｐ（ｎ）＞Ｏ且ｄｐ　（ｎ＋１）＜Ｏ就可以确定在频率段　｝　／　，（，Ｈ１）ｆ，　｝间存在谱峰。　２自动识别流程图及仿真结果　根据前面提取的特征参数，我们可以按以　下流程图对两类信号进行分类如图２。　图３是载频为２００Ｋ，码率１００Ｋ和采样频　率为１６ｏ０Ｋ的信号的ｏｄ参数随信噪比变化的　情况。　从图３可以看出两类信号对应的该参数　在不同信噪比下的值差距明显。由于２ＦｓＫ信　号３个谱峰几乎是等间距均匀分布，所以　２ＦｓＫ信号对应的该参数值一直很小，理想情　况下该参数的值为０。而对于４ＦＳＫ信号功　（下转４页）　ｏｕｔ！』ｔ。＿０Ｐｌ　ｓｅｎ，）ｌ｝　｝　ｖｏｉｄ　ｓｅｎｄ（）　｛ｉｎｔ　ｉ＝Ｏｌ　ＣＬＫ＝０；　／＋在低电平时输入数　据，在下降沿时读出数据＋／　ＳＹ＝Ｏ；　／＋在低电平时有效＋／　ｆｏｒ（ｉ＝Ｏｌｉ＜１７ｌｉ＋＋）　｛ＤＩＮ＝ＯＰ＞＞１５｝／｝将ＯＰ移位输　出｝／　ＯＰ＝０Ｐ＜＜１　ｔ　ＣＬＫ＝Ｉ　ｌ　／｝产生一个下降　沿｝／　ｄｅｌａｙ（）｝／　延时程序防　跳变在太快＋／　ＣＬＫ＝０ｌ　｝　ＳＹ＝１ｔ　｝　ｖｏｉｄ　ｄｅｌａｙ（）　｛ｉｎｔ　ｉ　ｌ　ｆｏｒ（ｉ＝０ｌｉ＜５ｌＨ＋）　｛｝　｝　５结语　该数模转换电路采用了高精度１　２位的　ＤＡＣ７５１２，具有低功耗的特点，其参考电压的　范围可从２．７Ｖ一５．５Ｖ，该电路中可通过调节合　适的电阻的比值来得到稳定的参考电压，连接　２科技咨询导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ　电路简单。采用带隙基准源作为数模转换的　参考电压，大大减小了温度变化对电路的影　响，与传统的采用电源作为数模转换电路参考　电压相比，进一步保证了Ｄ／Ａ转换的准确　度。作为１２位的Ｄ／Ａ转换电路能够满足大　多数电子设计场合中数模转换的要求，具有较　高的实际应用价值。　参考文献　【１】孟波，邹雪，城孟超，一种高性能ＣＭＯＳ　能隙基准电压源电路设计［Ｊ　Ｊ．微电子学　与计算机，２００３（８）：１６１～１６２．