CN116015309A - 一种基于双重量化的sigma-delta调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双重量化的sigma‑delta调制器，包括：环路滤波器模块、多位量化器模块、数字补偿滤波模块、数字脉宽调制模块、单比特量化器模块和数字滤波器模块，外界模拟信号经滤波之后输入依次通过环路滤波器模块、多位量化器模块、数字补偿调制模块、1位量化器量化，1位量化器量化输出到数字滤波器，同时进一步经过数模转换反馈到环路滤波器模块的输入端。本发明的双重量化结构的调制器减少了输出中的量化噪声，允许降低过采样率，从而提高了转换率。此外，由于注入多位系统的量化噪声小于注入单位系统的噪声，与量化器过载相关的稳定性问题也得到缓解，因此可以构造高阶稳定性单极调制器。
Description
技术领域
本发明属于数模电技术领域，尤其涉及一种基于双重量化的sigma-delta调制器电路。
背景技术
目前越来越多的具有微重力分辨率的高精度微机械传感器，用于石油勘探、地震监测、空间微重力测量以及惯性导航和制导应用。而作为对传感器信号进行后续处理的机电sigma-delta调制器（EMSDM）闭环反馈架构已经很流行，因为它不仅可以提高微机电系统（MEMS）传感器的输入动态范围（IDR）、线性度和带宽，同时以脉冲密度调制信号的形式提供数字输出。
传统的单量化sigma-delta调制器架构为了提高信噪比性能，采用增加环路的阶数或者增加内部量化器的分辨率，三阶以上的环路会导致系统不稳定，而增加内部量化器的分辨率对反馈DAC的精度要求比较高，需要另外增加提高DAC线性度的电路，这些都增加了电路设计的复杂度，相应增加了系统的面积与功耗。另外传统的单量化sigma-delta调制器中的补偿器和1bit量化器是通过模拟电路实现的，这可能导致由于制造公差和寄生效应，低频参数无法与传感器参数很好地匹配，从而大大的降低了系统性能。
发明内容
针对现有技术传统的单量化sigma-delta调制器架构的不足，本发明提供一种基于双重量化的sigma-delta调制器电路。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种基于双重量化的sigma-delta调制器电路，包括：
环路滤波器模块，其用于对滤波后的外界模拟信号进行噪声整形；
多位量化器模块，其用于对模拟信号进行多bit量化输出；
数字补偿滤波模块，其用于接收多位量化器模块输出的多位数字信号，提供能够达到符合接收器线性度要求的输出信号，保持回路稳定性，并进一步滤除信号带宽外的噪声成分；
数字脉宽调制模块，其用于将数字补偿调制模块输出的信号转换为线性度较高的脉冲信号；
1bit量化器模块，其用于接收经过补偿调制以后的数字信号，生成反馈脉冲，输出信号一路信号输入到数字滤波器模块，同时，一路信号经过DAC转换为模拟信号输入到环路滤波器输入端；
数字滤波器模块，其用于接收补偿器与1bit量化器模块的混合输入。
可选地，所述环路滤波器模块采用CIFF结构。
可选地，所述多位量化器模块采用12-bit及以上ADC。
可选地，所述数字补偿滤波模块通过降低采样数字输出信号中的一个或多个非线性失真分量，以提供能够达到符合接收器线性度要求的输出信号。
可选地，所述数字脉宽调制模块将数字补偿调制模块输出的信号转换为线性度较高的脉冲信号。
可选地，所述数字滤波器模块包括数字滤波器D1和数字滤波器D2，数字滤波器D1接收1位量化器的输出，数字滤波器D2接收补偿器与1bit量化量化器模块的混合输入，从而使系统输出更加线性化，并且去除1bit量化量化器模块的噪声，且能够检查不同噪声源带来的影响。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所提供的双重量化结构的调制器减少了输出中的量化噪声，允许降低过采样率，从而提高了转换率。此外，由于注入多位系统的量化噪声小于注入单位系统的噪声，与量化器过载相关的稳定性问题也得到缓解，因此可以构造高阶稳定性单极调制器。
2、本发明所提供的多位量化器及数字补偿调制模块在补偿信号失真的同时，进一步减少噪声成分，并使得线性调频和1位量化器可以在数字域中实现，这样，数字线性调频的参数可以灵活地适应传感器参数的变化，得到精确地控制，并与传感器参数完美地匹配。同时这使得本调制器中的更多部分可以在数字域中实现，更多的数字算法可以用于该结构，这使得惯性传感器系统更加通用、灵活和智能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种基于双重量化的sigma-delta调制器的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的三阶环路滤波器电路图。
具体实施方式
需要说明的是，本发明提供了一种基于双重量化的sigma-delta调制器。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到术语“第一”、“第二”、“第三”只是用于描述目的以及区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
如图1所示，本发明所提供的一种基于双重量化的sigma-delta调制器，包括：环路滤波器模块、多位量化器模块、数字补偿滤波模块、数字脉宽调制模块（DPWM）、1bit量化器模块、数字滤波器模块。
环路滤波器模块用于对滤波后的外界模拟信号进行噪声整形。
多位量化器模块用于对模拟信号进行多bit量化输出。
数字补偿滤波模块用于接收输入的多位数字信号，降低采样数字输出信号中的一个或多个非线性失真分量，以提供能够达到符合接收器线性度要求的输出信号，保持回路稳定性，并进一步滤除信号带宽外的噪声成分。
数字脉宽调制模块（DPWM）将数字补偿调制模块输出的信号转换为线性度较高的脉冲信号。
1bit量化量化器模块用于接收经过补偿调制以后的数字信号，生成反馈脉冲，输出信号一路信号输入到数字滤波器D1，一路信号经过DAC转换为模拟信号输入到环路滤波器输入端。其中，DAC采用1bitDAC。
数字滤波器模块用于接收补偿器与1bit量化量化器模块的混合输入，从而使系统输出更加线性化，并且去除了1bit量化量化器模块的噪声，并能够检查不同噪声源带来的影响。
上述的一种基于双重量化的sigma-delta调制器电路，通过对输入的模拟信号进行双重量化，大大提升了调制器的信噪比性能。
作为一种可选的实施例，当传感器感应外部模拟信号，以电阻、电容或者其它形式呈现的模拟信号，转换为电压信号，输出给环路滤波器进行噪声整形，然后输出给多位量化器，多位量化器模块用于对模拟信号进行多bit量化输出，数字补偿调制模块对该信号进行数字补偿调制，以提供能够达到符合接收器线性度要求的输出信号，保持回路稳定性，并进一步滤除信号中的噪声，经补偿调制的数字信号输出给1bit量化器，该量化器接收经过补偿调制以后的数字信号后，生成反馈脉冲，输出信号一路信号经过DAC转换为模拟信号输入到环路滤波器输入端一路信号输入到数字滤波器，数字滤波器对1bit数字信号进行数字滤波，使系统输出更加线性化，并且不仅能去除1Bit量化器的噪声，还能检查不同噪声源带来的影响。
本发明的系统性能由四个噪声源决定：本发明的传感器电路引起的电子噪声（E）、大质量块布朗运动引起的机械噪声力（B）以及量化噪声Q1和Q2。
其中，传感器电路产生的电子噪声主要是热白噪声。如果传感器电路采用高频载波信号和高通滤波器，该噪声能得到有效抑制。
其中，多位量化器噪声Q1，当选择12位ADC或更高分辨率ADC时，ADC量化噪声远低于机械噪声和电子噪声。因此，其对系统分辨率的影响可以忽略。
其中，1bit量化量化器模块采用1位量化器，1位量化器的噪声Q2，这是是SD2的性能限制器，因此，本发明的重点是使用数字滤波器D1和D2去除它。因为1位量化器工作在数字域，可以通过控制数字滤波器的一些参数，使得1位量化器的噪声得到有效抑制。
通过以上方法，该发明不仅能够实现更高的动态范围和更好的信噪比，另外，增加的多位量化器及数字补偿调制模块在补偿信号失真的同时，进一步减少噪声成分，并使得线性调频和1位量化器可以在数字域中实现，这样，数字线性调频的参数可以灵活地适应传感器参数的变化，得到精确地控制，并与传感器参数完美地匹配。
图2是根据本发明实施例的环路滤波器电路图。如图2所示，环路滤波器模块采用CIFF结构（单环前馈型包括前馈求和积分器级联型），在该结构中包括三个非延迟积分器相连，输入信号以前馈的形式连接到每一级积分器的输入端，并且各级积分器的积分结果乘以不同的前馈系数后输出到下一级。
综上所述，本发明所提供的调制器采用三阶双重量化数字补偿调制的sigma-delta调制器架构，双重量化技术代表了设计∑ΔM（sigma-delta调制器）的另一种方法，这得益于多位量化器的误差减小、数字补偿调制以及单调制器中单比特量化器的固有线性。与三阶单量化架构∑ΔM相比，可以显著提升调制器性能，另外增加的多位量化器加数字补偿调制使得线性调频和1位量化器可以在数字域中实现，这样，数字线性调频的参数可以灵活地适应传感器参数的变化，得到精确地控制，并与传感器参数完美地匹配。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于双重量化的sigma-delta调制器，其特征在于，包括：
环路滤波器模块，其用于对滤波后的外界模拟信号进行噪声整形；
多位量化器模块，其用于对模拟信号进行多bit量化输出；
数字补偿滤波模块，其用于接收多位量化器模块输出的多位数字信号，提供能够达到符合接收器线性度要求的输出信号，保持回路稳定性，并进一步滤除信号带宽外的噪声成分；
数字脉宽调制模块，其用于将数字补偿调制模块输出的信号转换为线性度较高的脉冲信号；
1bit量化器模块，其用于接收经过补偿调制以后的数字信号，生成反馈脉冲，输出信号一路信号输入到数字滤波器模块，同时，一路信号经过DAC转换为模拟信号输入到环路滤波器输入端；
数字滤波器模块，其用于接收补偿器与1bit量化器模块的混合输入。
2.根据权利要求1所述的基于双重量化的sigma-delta调制器，其特征在于，所述环路滤波器模块采用CIFF结构。
3.根据权利要求1所述的基于双重量化的sigma-delta调制器，其特征在于，所述多位量化器模块采用12-bit及以上ADC。
4.根据权利要求1所述的基于双重量化的sigma-delta调制器，其特征在于，所述数字补偿滤波模块通过降低采样数字输出信号中的一个或多个非线性失真分量，以提供能够达到符合接收器线性度要求的输出信号。
5.根据权利要求1所述的基于双重量化的sigma-delta调制器，其特征在于，所述数字脉宽调制模块将数字补偿调制模块输出的信号转换为线性度较高的脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的基于双重量化的sigma-delta调制器，其特征在于，所述数字滤波器模块包括数字滤波器D1和数字滤波器D2，数字滤波器D1接收1位量化器的输出，数字滤波器D2接收补偿器与1bit量化量化器模块的混合输入，从而使系统输出更加线性化，并且去除1bit量化量化器模块的噪声，且能够检查不同噪声源带来的影响。
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