二阶噪声整形数据转化器实验报告要点.doc

xx大学实验报告 本科实验报告 （数模混合集成电路课程设计） 题目名称： 二阶噪声整形调制器 学院（系）： xxxx 专 业： XXXX 班 级： XXXX 班 学 号： XX 学生姓名： XXX 2014年12月26日 二阶噪声整形调制器 一、实验目的 了解二阶噪声整形调制器的转换原理，电路实现功能和影响因素等。 利用LTSPICE软件分析二阶噪声整形电路的特征和功能特点。 对比理论结果和仿真结果并进行分析。 二、任务分析 我选择的题目是例题7-40的一个二阶噪声整形数调制器,用SPICE 分析其噪声整形，输入的正弦频率为500kHz。主要有两部分的内容，一是进行理论方面的分析，二是进行SPICE 仿真。然后对比理论结果和仿真结果进行分析，得出结果。 三、二阶噪声整形调制器分析 噪声整形分析 1.1、量化噪声 首先，考虑一个传统ADC的频域传输特性。输入一个正弦信号，然后以频率fs采样，按照Nyquist定理，采样频率至少两倍于输入信号。通过FFT分析可知，其结果是一个单音和一系列频率分布于直流（DC）到fs／2间的随机噪声。这就是所谓的量化噪声，主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。 1.2、过采样技术 单音信号的幅度和所有频率噪声的有效值（RMS）幅度之和的比值就是信号噪声比(SNR)。对于一个N bit ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。为了改善SNR和更为精确地再现输入信号，对于传统ADC来讲，必须增加位数。 图1：过采样技术 如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为Kfs，再来讨论同样的问题。经FFT分析可得，噪声基线降低了，SNR值未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。 如果理想ADC输入为直流电压，那么多次采样得到的数字输出值总是相同的，而且分辨率受量化误差的限制。 如果在这个直流输入信号上叠加一个交流信号（如果模拟输入电压本身是交流信号，则不必另叠加交流信号），并用比该交流信号频率高得多的采样频率进行采样，此时得到的数字输出值将是变化的，用这些采样结果的平均值表示ADC的转换结果能得到高得多的采样分辨率，这种采样频率远高于输入信号频率的技术称为过采样技术，过采样技术可提高ADC的分辨率。 1.3、量化噪声整形 （1）、量化误差定义 ADC输入的模拟量是连续的，而输出的数字量是离散的，用离散的数字量表示连续的模拟量，需要经过量化和编码，由于数字量只能取有限位，故量化过程会引入误差，量化误差也称量化噪声。 数字量用N位二进制数表示时最多可有个不同编码。在输入模拟信号归一化为0～1之间数值的情况下，对应输出码的一个最低有效位(LSB)发生变化的最小输入模拟量的变化量为： 若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯Q, 量化噪声的总功率是一个常数,与采样频率fs无关,功率密度谱在0~fs/2的频带范围内均匀分布。量化噪声电平与采样频率成反比,提高采样频率,可以降低量化噪声电平,而基带是固定不变的,因而减少了基带范围内的噪声功率,提高了信噪比。 （2）、量化噪声功率 设量化噪声是白噪声，用e(n)表示，其在以±q/2量化单位所划分的各量化电平内的分布是一样的，量化噪声功率用方差表示为： （3）、量化噪声的功率谱密度 由于量化噪声均等地散布于整个采样频率（ fS ）范围内，所以量化噪声的功率谱密度可表示为： 由上面两式可见，N增大，q减小，量化噪声功率减小；采样频率越高，分布在直流至基带fB（fs / 2）范围内的量化噪声功率越少。 （4）、噪声整形特性 设Q为量化噪声，H(S)为模拟滤波器的传递函数，输入信号为X，输出信号为Y，有： 图2：噪声整形频域线性化模型 可见，当频率接近0时，（S→0），输出Y趋于X，且无噪声分量，当频率增高时，X/(S+1)项的值减小，而噪声分量QS/(S+1)增加，即Σ-△调制器对输入信号具有低通作用，对内部量化器产生的量化噪声具有高通作用。换言之，Σ-△调制器具有改变噪声分布状态的功能。这种对量化噪声的频谱进行整形的特性为噪声整形特性 。 二阶噪声整形调制器的实现 2.1、一阶噪声整形调制器 一阶噪声整形调制器的框图 图3：一阶噪声整形调制器的框图 如上图所示，调制器输出Y(z)、输入X（z）和量化噪声E（z）的关系如下： 上式中，STF(z)为信号的传递函数，NTF（z)为信号噪声的传递函数。如果A（z)是一个积分器（DAI）。则上式变为： 通