專利名稱：快速、高分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的制作方法
快速、高分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及數(shù)模轉(zhuǎn)換器，更特別地涉及可應(yīng)用于定點、浮 點和對數(shù)格式的數(shù)字字的快速、高分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字字轉(zhuǎn)換成諸如模擬電壓值或模擬電流值之類 的模擬值。數(shù)字字可以是二進制的、三進制的等等，并且可以以諸如
定點、浮點和對數(shù)格式之類的已知格式來表示。當數(shù)字字是具有n位 (d)的定點二進制字時，可以通過對每位應(yīng)用二的漸進冪的加權(quán) (progressive power of two weightings )來生成只于應(yīng)的才莫扣乂虧直S。
R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)表示一種使用電阻器級的網(wǎng)絡(luò)來對每位應(yīng)用漸進 加權(quán)的傳統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。網(wǎng)絡(luò)的每一級使用相同的電阻器對，其中一 個電阻器的電阻為另 一個電阻器的電阻的兩倍。通過將n級連接在一 起，R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)將反比l:l/2:l/4:…2々-"應(yīng)用于輸入位的值，以將 n位的數(shù)字字轉(zhuǎn)換成模擬值。
使用R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)從數(shù)字域到模擬域的準確轉(zhuǎn)換需要高度準確 的反比。因此，R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)需要高精度的電阻器，尤其對于大的數(shù) 字字而言更是如此。由于跨越大量電阻器難以保持所需的精度，所以 對于大的數(shù)字字而言R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)通常不具有足夠的準確度。雖然 其他傳統(tǒng)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以提高準確度，但是這些數(shù)模轉(zhuǎn)換器通常是
使用高度復雜和/或計算慢的電路來做到這一點的。因此，仍然需要快 速、高分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種快速、高分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。所述 DAC包括脈沖發(fā)生器、衰減(decay)電路、控制器和采樣電路。脈 沖發(fā)生器串行地輸出表示從最低有效數(shù)字到最高有效數(shù)字排列 (order)的數(shù)字字的數(shù)字的脈沖。從脈沖發(fā)生器輸入到衰減電路中的 每個脈沖生成根據(jù)衰減電路的衰減響應(yīng)而隨著時間衰減的響應(yīng)?？刂?器對脈沖發(fā)生器所輸出的脈沖的定時進行控制，以使得每個脈沖的周 期與預(yù)定衰減量相關(guān)。響應(yīng)于來自控制器的控制信號，采樣電路在脈沖發(fā)生器將用于最高有效數(shù)字的脈沖輸入到衰減電路中之后的采樣 時間對衰減電路的輸出進行采樣。采樣輸出表示與輸入數(shù)字字相對應(yīng) 的模擬輸出值。
在一個示例性實施例中，輸入數(shù)字字包括二進制字，并且衰減電 路包括具有指數(shù)衰減響應(yīng)的RC電路。脈沖發(fā)生器發(fā)出與二進制字相
對應(yīng)的脈沖(首先是最低有效位脈沖)到RC電路中。在最高有效位 脈沖被輸入之后，采樣電路對RC電路的輸出電壓進行采樣。當控制 器根據(jù)RC時間常數(shù)對脈沖的位周期進行控制時，采樣電壓是二進制 字的準確模擬表示。
在另一個示例性實施例中，輸入數(shù)字字包括尾數(shù)部分(magnitude portion)和指數(shù)部分。例如，輸入數(shù)字字可以包括浮點字，所述浮點 字包括尾數(shù)部分和整數(shù)指數(shù)部分?？商鎿Q地，輸入數(shù)字字可以包括對 數(shù)字，所述對數(shù)字包括尾數(shù)部分和分數(shù)指數(shù)部分。通過使對尾數(shù)輸入 脈沖的響應(yīng)在基于指數(shù)部分的時間周期內(nèi)進 一 步衰減，本發(fā)明的數(shù)模 轉(zhuǎn)換器生成用于浮點或?qū)?shù)字的模擬輸出。在一個實施例中，數(shù)模轉(zhuǎn)
變來實現(xiàn)該附加的衰減。在口另一個實施例中、，數(shù)模轉(zhuǎn)換器通i相對于 采樣時間將輸入脈沖啟動時間作為指數(shù)的函數(shù)而改變來實現(xiàn)該附加 的衰減。


圖1示出一個示例性數(shù)模轉(zhuǎn)換器的框圖。 圖2圖示出圖1的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的衰減功能。 圖3示出本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個實施例的框圖。 圖4示出用于圖3的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一個示例性衰減電路。 圖5-7示出圖4的衰減電路的各種實施例的性能數(shù)據(jù)。 圖8示出圖3的數(shù)模轉(zhuǎn)換器在不同的采樣時間的衰減功能。 圖9示出圖3的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的相對于固定采樣時間提前輸入脈沖 的定時圖。
圖10示出用于浮點和/或?qū)?shù)數(shù)字字的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的另一實施例 的框圖。
圖11示出用于三進制數(shù)字字的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的另一實施例的框圖。圖12A-12C示出圖11的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的不同操作狀態(tài)。 圖13示出用于圖3的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的另一示例性衰減電路。
具體實施例方式
圖1示出包括脈沖發(fā)生器20和衰減電路30的示例性數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) IO的框圖。根據(jù)本發(fā)明，脈沖發(fā)生器20串行地輸出與從最 低有效位(LSB)到最高有效位(MSB)排列的輸入數(shù)字字的位相對 應(yīng)的脈沖。輸入到衰減電路30的脈沖生成根據(jù)已知衰減響應(yīng)而衰減 的響應(yīng)。更特別地，當脈沖發(fā)生器20將每個脈沖輸入到衰減電路30 中時，由先前輸入的脈沖所生成的響應(yīng)在每個周期內(nèi)以期望的衰減因 子而衰減。例如，當與二進制字的位相對應(yīng)的每個脈沖一皮輸入到衰減 電路3 0時，由先前輸入的脈沖所生成的響應(yīng)在每個位周期內(nèi)以因子2 而按照標稱(nominally)衰減。在MSB脈沖被輸入之后，衰減電路 30的輸出表示與輸入數(shù)字字相對應(yīng)的模擬值。雖然在下面主要就4位 二進制字對DAC IO作了描述，但是應(yīng)當理解的是，本發(fā)明適用于具 有任意基數(shù)(radix)的任意長度的數(shù)字字，諸如三進制數(shù)字字、四進 制數(shù)字字等。
圖2圖示出已經(jīng)接收到與4位二進制字"1111"相對應(yīng)的脈沖的 衰減電路30的示例性指數(shù)衰減響應(yīng)。對于該例子，每個脈沖的周期 為0.1微秒。當連續(xù)脈沖被輸入時，每個脈沖所生成的響應(yīng)在每個位 周期期間以因子2衰減。因此，到時間ts，由d0 (其表示LSB位)所 生成的響應(yīng)已經(jīng)衰減到2—3倍，由山所生成的響應(yīng)已經(jīng)衰減到2^倍， 由d2所生成的響應(yīng)已經(jīng)衰減到2"倍。在時間ts,在DAC 10的輸出端 給出累積的模擬值為
S = d3 20 + d22-1 + of,2-2 + ￡/02_3 (1)
如等式(l)中所示，DAC 10對4位二進制字的每位應(yīng)用二的漸 進冪。因此，在時間ts處DAC 10的輸出準確地表示輸入數(shù)字字的模 擬值。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的 一 個示例性DAC 10的更詳細的框圖。DAC 10包括脈沖發(fā)生器20、衰減電路30、控制器40和采樣電路50。脈 沖發(fā)生器20將輸入數(shù)字字轉(zhuǎn)換成脈沖串并且輸出脈沖，首先是LSB 脈沖，其中每個脈沖具有周期T。作為例子，考慮4位二進制字"1011"。脈沖發(fā)生器20將該數(shù)字字轉(zhuǎn)換成圖3所示的脈沖串。
由每個輸入脈沖所生成的響應(yīng)才艮據(jù)衰減電路30的已知衰減響應(yīng) 而衰減?？刂破?0對脈沖發(fā)生器20進行控制以相對于衰減電路30 的衰減響應(yīng)而控制脈沖的定時，從而使得每個脈沖的周期T與預(yù)定衰 減因子相關(guān)。例如，衰減響應(yīng)可以使由每個輸入脈沖所生成的響應(yīng)在 二進制字的每個位周期內(nèi)以因子2衰減。響應(yīng)于來自控制器40的控 制信號，在脈沖發(fā)生器20輸入MSB脈沖之后采樣電路50在采樣時 間ts對衰減電路30的輸出進行采樣。該采樣輸出表示與輸入數(shù)字字 相對應(yīng)的才莫擬值。
圖4示出包括RC電路31的一個示例性衰減電路30，該RC電路 31具有與提供輸入脈沖的源相串聯(lián)的電阻器32,以及分路電容器33。 RC電路31的脈沖響應(yīng)表現(xiàn)出由下式定義的指數(shù)衰減響應(yīng) /(f) = /e-'"， (2)
其中v表示輸入脈沖的振幅，并且t:RC表示RC電路31的時間 常數(shù)。應(yīng)當認識到，衰減電路30并不限于所示出的RC電路。在其他 示例性實施例中，衰減電路30可以根據(jù)任何已知的衰減響應(yīng)來對由 每個輸入脈沖所生成的響應(yīng)進行衰減。例如，衰減電路30可以具有 任意非線性衰減響應(yīng)。對于本實施例，衰減電路30在任意瞬時時刻 的輸出是輸入脈沖與RC電路31的脈沖響應(yīng)之間的巻積。
為了確保每個脈沖所生成的響應(yīng)衰減期望的衰減量，控制器40
根據(jù)下式相對于衰減電路30的衰減響應(yīng)而控制輸入脈沖定時 r = / Cln(a). (3)
在等式(3)中，T表示輸入脈沖的周期，R表示電阻器32的以 歐姆(ohm)為單位的電阻，C表示電容器33以法拉(Farad)為單 位的電容，并且a表示輸入數(shù)字字的基數(shù)。對于二進制字，a=2,并 且每個周期的標稱(nominal)衰減量為1/2,其對應(yīng)于標稱衰減因子 DF=2。在一個實施例中，控制器40通過控制每個脈沖的周期T來控 制輸入脈沖定時，從而使得每個脈沖的周期與期望的衰減量相關(guān)。在 另一實施例中，控制器40通過控制RC電路31的電阻和/或電容以控 制時間常數(shù)t來控制輸入脈沖定時，從而使得期望的衰減量與輸入脈 沖的周期T相關(guān)。
通過精確地控制周期T和/或RC時間常數(shù)t ，控制器40可以控制輸出模擬值的準確度。典型地，數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)該準確到0.5 LSB,
其對應(yīng)于約為百萬分之十五的準確度。上述DAC IO為大的數(shù)字字(包
括16位數(shù)字字)提供期望的準確度，只要DAC IO是單調(diào)的即可。換
言之，如果為值"1000000000000000 "所生成的信號值比為
"01111111111111ir所生成的信號值略大，則DAC10是單調(diào)的。
當下式成立時DAC IO是單調(diào)的
w + w2+ w4十…w15 <1 ， (4)
其中w表示每周期的期望衰減量。對于二進制字，等式(4)結(jié) 果形成^<()'5(1 + 2_15) = ()'5,152,這提供0.500015215的準確度，或者大 約百萬分之30,其不止足以滿足0.5LSB準確度要求。應(yīng)當認識到， 在此所述的DAC IO可以用于甚至更長的數(shù)字字(包括32位數(shù)字字)， 只要DAC IO是單調(diào)的即可。
如果位頻率(f-l/T)與RC時間常數(shù)T的乘積滿足該準確度要求， 則DAC10達到該準確度。為此，控制器40可以包括可編程頻率合成 器42 (圖3)以精確地設(shè)置由脈沖發(fā)生器20所輸出的脈沖的周期T。 在一個實施例中，頻率合成器42可以相對于衰減電^各30的衰減響應(yīng) 而校準位周期。對于本實施例，在"1000000000000000 "和
"oiiiiiiiiiiiiiir之間交變的數(shù)字字裙:輸入到dac io。通過針
對每個輸入數(shù)字字評估衰減電路30的輸出，控制器40可以確定輸入 脈沖的周期內(nèi)的誤差?？刂破?0然后可以使用可編程頻率合成器42 來根據(jù)該誤差而調(diào)整脈沖的周期。例如，如果可編程頻率合成器42 按照標稱被設(shè)置為160MHz,則2400Hz級(step)等同于百萬分之十 五級。因此，為了獲得百萬分之十五的準確度，頻率合成器42可以 以2400Hz級調(diào)整脈沖發(fā)生器20的頻率，以為脈沖發(fā)生器20設(shè)定期 望的周期。
控制器40還可以在DAC IO操作期間使用頻率合成器42來動態(tài) 地調(diào)整輸入脈沖的周期，以校正動態(tài)發(fā)生的誤差。例如，如果RC電 路33中的電阻器32和/或電容器33隨著溫度而改變，則控制器40 可以跟蹤由溫度改變所引起的誤差，并使用頻率合成器42來根據(jù)該 誤差而動態(tài)地調(diào)整位周期。例如，如果知道與衰減電路30的指數(shù)衰 減的精確偏離，則可以使用預(yù)編程序列來調(diào)諧頻率合成器42，以調(diào)整 每個位間隔，從而補償該偏離，并且還補償溫度(如果必要的話)。在一個實施例中，振蕩器可以被構(gòu)造為具有與RC電路31中所使用的 電阻器和電容器相同的電阻器和電容器?？刂破?0可以將振蕩器的 頻率測量到任意期望的準確度。根據(jù)所測量的頻率，控制器40可以 調(diào)整頻率合成器42的位周期。應(yīng)當認識到，雖然圖3的DAC 10包括 控制器40和頻率合成器42，但是當所有DAC 10的時間常數(shù)匹配時， 一個或多個DAC 10可以使用相同的控制器40、頻率合成器42和/或 溫度補償電路。例如，具有兩個通道的立體聲音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以被 構(gòu)造為具有一個控制器40、 一個頻率合成器42、 一個溫度補償電路 和兩個DAC 10 (每個通道一個)。
即使控制器40能夠精確地控制周期T和/或RC時間常數(shù)t ,由 RC電路31所輸出的模擬值仍可能包括由寄生(spurious)信號所引 起的誤差，所述寄生信號是由偶然極點(incidental pole )引入的。典 型地，理想的RC電路31在與1/t成比例的頻率處具有主極點。但是， 實際上RC電路31可能具有一個或多個使RC電路31將寄生信號引 入到衰減電路輸出中的偶然極點。典型地，偶然極點處于比主極點更 高的頻率處。該更高的頻率使得寄生信號以比與主極點相關(guān)聯(lián)的信號 更快的速率指數(shù)地衰減。例如，如果RC電路31在10倍于主極點頻 率處具有偶然極點，則寄生信號的衰減速度是與主極點相關(guān)聯(lián)的信號 的10倍。因此，為了充分地削弱(attenuate)寄生信號，控制器40 可以控制采樣電路50在MSB脈沖被輸入后在預(yù)定周期內(nèi)對采樣時間 進行延遲?？商鎿Q地，控制器40可以控制脈沖發(fā)生器20相對于采樣 時間將脈沖輸入提前預(yù)定周期。兩者中的任一選擇都使得寄生信號在 采樣時間之前衰減到小到可被接受的值。應(yīng)當認識到，DAC 10還可 以包括放大器(未示出)，以增強輸出模擬值來補償由于額外的延遲 而引起的振幅損失。
圖5-7示出以對數(shù)刻度繪出的RC電路31的脈沖響應(yīng)，從而示出 問題和針對偶然極點問題的可能解決方案。圖5示出在10倍于主極 點頻率處具有偶然極點的RC電路31的脈沖響應(yīng)60。圖5還示出受 到寄生信號影響的脈沖響應(yīng)60與理想的直線響應(yīng)64之間的誤差62。 如圖所示，脈沖響應(yīng)60和誤差62在脈沖響應(yīng)的峰值處具有大致相同 的幅度。因此，在本例子中，寄生信號使得峰值處通過采樣而獲得的 模擬值極不準確。
ii為了獲得小于0.5 LSB的期望準確度，誤差62對于MSB應(yīng)當小 于1/65536，對于第二 MSB應(yīng)當小于1/32768，等等。圖5中的點線 分別示出了在準確度至少為0.5 LSB的情況下對于15位、16位和17 位字的誤差限度(error limit)。為了滿足期望的準確度，在采樣時間 處誤差62必須低于針對字長的誤差限度。如圖5所示，直到脈沖響 應(yīng)被衰減了大約9dB時誤差62才落到針對16位字的誤差限度之下。 通過對衰減電路輸出的采樣時間進行延遲直到該點為止，控制器40 基本上消除了來自采樣值的寄生信號。
雖然充分地對衰減電路輸出的采樣進行延遲通常會克服與偶然 極點相關(guān)聯(lián)的問題，但是所需的延遲可能過長。另外，當偶然極點頻 率相對接近于主極點頻率時，所引起的誤差62可能太大以至于不能 通過簡單地延遲采樣時間來克服。例如，考慮偶然極點頻率是主極頻 率的兩倍時的情形，如圖6所示。該情形的誤差62太大以至于不能 獲得期望的準確度，即使大幅延遲采樣時間也是如此。為了糾正該問 題，RC電路31可以還包括與電容器33串聯(lián)的第二電阻器，在RC 電路31響應(yīng)的頻率響應(yīng)中其形成零點。通常，將該零點的時間常數(shù) 匹配到所有其他偶然極點的一階系數(shù)會顯著降低寄生信號。圖7示出 了如何使用第二電阻器在大約10倍于主極點頻率處形成零點以充分 減小圖6所示的誤差62。因此，通過在適當頻率處形成零點以及通過 延遲采樣時間，DAC IO可以對降級最為嚴重的寄生信號進行補償。
上述示例性DAC l(H艮定的是定點數(shù)字字。然而，DAC10還可以 應(yīng)用于其他格式的數(shù)字字，諸如浮點和/或?qū)?shù)格式的數(shù)字字。浮點或 對數(shù)格式的數(shù)字字包括符號、尾數(shù)和指數(shù)。對于二進制字，浮點字可 以被表示為s.廠2-m,其中s表示符號，r表示尾數(shù)，m表示指數(shù)。指數(shù) m對于浮點字而言是整數(shù)并且對于對數(shù)字而言是分數(shù)。應(yīng)當認識到， 當m=0時定點數(shù)字字與浮點數(shù)字字對應(yīng)。還應(yīng)當認識到，具有不同指 數(shù)的數(shù)字字的模擬值相差2的某個倍數(shù)。例如，當尾數(shù)為12時，在 m=0時輸出值為12,在m=l時輸出值為6，在m=2時輸出值為3， 等等。因此，通過修改DAC 10以使由與尾數(shù)位相對應(yīng)的輸入脈沖所 生成的響應(yīng)在與m成比例的時間周期內(nèi)進一步衰減，DAC IO適應(yīng)浮 點和/或?qū)?shù)格式的數(shù)字字。
為了實現(xiàn)對浮點和對數(shù)值的數(shù)模轉(zhuǎn)換，控制器40根據(jù)指數(shù)相對于采樣時間來控制脈沖輸入的定時。在一個實施例中，控制器40可
以通過使衰減電路30的采樣時間延遲m個周期來控制定時。圖8示 出在111=0、 m=l、 m=2和m=3時用于4位二進制字"1011"的采樣時 間ts。在另一實施例中，控制器40可以控制脈沖發(fā)生器20將脈沖輸 入相對于固定的采樣時間t提前m個周期來控制定時。圖9示出在 m=0、 m=l、 m=2和m=3時脈沖發(fā)生器20針對"1011"的脈沖輸出。 控制器40可以例如使用計數(shù)器來跟蹤延遲的或提前的周期數(shù)。在任 一情況下，對尾數(shù)的響應(yīng)在被采樣電路50采樣之前衰減m個周期。 應(yīng)當認識到，雖然圖8和9就整數(shù)指數(shù)值闡釋了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域 技術(shù)人員應(yīng)當理解，也可以使用用于對數(shù)格式的分數(shù)指數(shù)值。
由于浮點和對數(shù)字需要輸入時間和采樣時間之間的額外延遲時 間，所以DAC IO可能需要額外的定時電路來使內(nèi)部DAC定時與外界 的定時同步。圖10示出用于本實施例的DAC 10的一個示例性框圖。 除上述部件，DAC 10還包括鎖存器70、保持電^各80和開關(guān)90。鎖 存器70接收外部啟動信號。在控制器50所提供的內(nèi)部啟動信號對其 進行時鐘控制時，鎖存器70向脈沖發(fā)生器20提供經(jīng)重新定時的啟動 信號。響應(yīng)于經(jīng)重新定時的啟動信號，脈沖發(fā)生器20接收數(shù)字字， 并將從LSB到MSB排列的對應(yīng)脈沖串行地輸入到衰減電路30。衰減 電路30如上所述地對由輸入脈沖所生成的響應(yīng)進行衰減。響應(yīng)于來 自控制器40的內(nèi)部采樣信號，采樣電路50對衰減電路30的輸出進 行采樣。采樣電路50將模擬輸出信號傳送到保持電路80。保持電路 80保持該信號直到開關(guān)90被外部采樣信號觸發(fā)。此后，保持電路80 將模擬輸出信號傳送到DAC 10的輸出端。因此，只要外部啟動信號 與外部采樣信號之間的時間大于內(nèi)部啟動時間與內(nèi)部采樣時間之間 的時間，DAC 10的內(nèi)部定時對于外界就是不可見的。該方案允許控 制器40相對于采樣時間而控制輸入脈沖的定時，以適應(yīng)定點、浮點 或?qū)?shù)格式的數(shù)字字，而無需破壞外部電子部件的定時操作。這還允 許控制器4 0增加任意必要的延遲以減小寄生信號。
本發(fā)明還適用于其他基數(shù)的數(shù)字字，諸如a=3 (三進制)、a=4 (四進制)等等。圖11示出用于三進制數(shù)字字的一個示例性衰減電 路30。三進制系統(tǒng)可以使用+1、 O或-l來生成數(shù)字字。對于本例子， 控制器40可以相對于衰減響應(yīng)而控制輸入脈沖定時，以使得每個脈沖的周期T對應(yīng)于標稱衰減因子3。衰減電路30包括經(jīng)由兩個反相器 (inverter)連接到DC電源Vcc和地的RC電路31。每個反相器包括 由輸入信號Pl或P2控制的P-FET和N-FET?？刂破?0根據(jù)三進制 數(shù)字字的每個數(shù)字來控制輸入信號PI和P2。當數(shù)字為"+ l"時，控 制器將P1設(shè)置為高并且將P2設(shè)置為低。如圖12A所示，通過將電阻 器32連接到Vcc以及將電容器33連接到地而對電容器充電。當數(shù)字 為"-l"時，控制器將P1設(shè)置為低并且將P2設(shè)置為高。如圖12B所 示，通過將電阻器32連接到地以及電容器33連接到Vcc而使電容器 33放電。當數(shù)字為"0"時，控制器40將P1和P2這二者都設(shè)置為低。 如圖12C所示，這使得電阻器32和電容器33這二者都連接到地，這 保持了電容33中的電荷。因此，通過根據(jù)三進制數(shù)字值來控制Pl和 P2，可以在每個三進制數(shù)字周期內(nèi)增大、減小或保持電容器電壓。
應(yīng)當認識到，可以利用不同于上述那些衰減響應(yīng)的其他衰減響應(yīng) 來實施本發(fā)明。例如，可以將RC電路31修改為包括并聯(lián)的電阻器 32和電容器33。該配置使得由輸入電流脈沖所生成的響應(yīng)指數(shù)地衰 減，從而生成對應(yīng)的模擬輸出值。可替換地，衰減電路30可以包括 如圖13所示的RL電路34。在該實施例中，控制器40根據(jù)下式相對 于RL電路34的衰減響應(yīng)來控制脈沖的輸入的定時
其中R表示電阻器32以歐姆為單位的電阻，L表示電感器35以 亨利(Henry)為單位的電感，并且t=L/R表示RL電路的時間常數(shù)。 不管使用哪種指數(shù)衰減電路，衰減輸出信號都被采樣電路50采樣， 以生成模擬輸出值。 一般地，采樣值包括模擬輸出電壓。然而，當衰 減輸出信號是衰減電流信號時，可以使用諸如霍耳效應(yīng)裝置或跨導放 大器之類的電流檢測器來檢測采樣模擬輸出信號的電流，并生成對應(yīng) 的模擬電壓。
上述示例性DAC IO假定輸入數(shù)字字是單極的。本發(fā)明還可以用 作對正數(shù)值和負數(shù)值進行轉(zhuǎn)換的雙極數(shù)模轉(zhuǎn)換器。根據(jù)一個實施例， 半全標度位模式表示零。對于16位字，半全標度位模式是 "0111111111111111"，針對該輸入數(shù)字字DAC 10的電壓輸出被定 義為零。位于該值之下的所有電壓被定義為負值，而位于該值之上的所有電壓被定義為正值?？商鎿Q地，可以沒有真正的零值。例如，-0.5 可以由"011111111111111"來表示，+0.5可以由"1000000000000000"
來表示。
在另一雙極實施例中，可以使用DAC 10對來構(gòu)建平ff轉(zhuǎn)換器。
在這種情況下，待轉(zhuǎn)換的數(shù)字可以是二進制補碼形式或者是符號-量值
(sign-magnitude )形式。在用于16位數(shù)字字的符號-量值形式下，符 號為1 (對于+)或0 (對于-)，量值是15位數(shù)字，其中例如-0.5被 表示為"01111111111111" ， +0.5被表示為"100000000000000"。 通過將符號*量值提供給一個DAC 10,并將互補位模式提供給另一個 DAC 10，通過該DAC 10對的兩個電壓輸出之間的差來4是供對應(yīng)才莫擬 值的平衡的或推挽式(push-pull)表示。應(yīng)當認識到，本發(fā)明并不限 于上面的例子。使用DAC 10的雙極數(shù)模轉(zhuǎn)換的其他實施也可應(yīng)用于 本發(fā)明
本說明書中所描述的DAC IO還假定輸入脈沖串具有歸零波形。 在位之間使用歸零波形確保了每個位具有相同的上升和下降沿以及 位寬度，并且因此將相同量的輸入信號貢獻給DAC 10。結(jié)果，不管 輸入數(shù)字字內(nèi)的位位置如何，衰減電路30的衰減響應(yīng)都以相同的方 式修改每個輸入脈沖。雖然歸零波形提高了模擬輸出的準確度，但是 應(yīng)當認識到，可以將其他輸入波形用于本發(fā)明。
本說明書中所描述的DAC IO僅需要若干電子部件來實施，其中 部件的數(shù)量與數(shù)字字的長度無關(guān)。另外，可以使用可編程頻率合成器 42來校準和/或動態(tài)地控制本說明書中所描述的DAC 10的準確度。這 種數(shù)字控制比制造傳統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器所需的精密電子部件更容易、更便 宜并且更準確。另外，DAC 10可以用于所有的數(shù)字字，與字長、基 數(shù)和/或格式無關(guān)。因此，本說明書中所描述的DAC IO是提供快速、 簡單且高度準確的數(shù)模轉(zhuǎn)換的通用數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
當然，除了在本說明書中所提出的那些具體方式，還可以以其他 方式來實現(xiàn)本發(fā)明，而不脫離本發(fā)明的實質(zhì)特征。本發(fā)明的實施例在 所有方面都應(yīng)當被認為是說明性的，而非限制性的，并且意在包括所 附權(quán)利要求的內(nèi)涵和等同范圍內(nèi)的所有變化。
權(quán)利要求
1.一種用于將包括多個數(shù)字的數(shù)字字轉(zhuǎn)換成模擬值的方法，所述方法包括將表示從最低有效數(shù)字到最高有效數(shù)字排列的數(shù)字字的數(shù)字的脈沖串行地輸入到具有已知衰減響應(yīng)的衰減電路中；相對于衰減響應(yīng)而控制脈沖的定時，以使得每個脈沖的周期與預(yù)定衰減量相關(guān)；以及在輸入表示最高有效數(shù)字的脈沖之后的采樣時間對衰減電路的輸出進行采樣，以生成與數(shù)字字相對應(yīng)的模擬值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述衰減響應(yīng)包括指數(shù)衰 減響應(yīng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中相對于衰減響應(yīng)而控制脈 減量相關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中相對于衰減響應(yīng)而控制脈 沖的定時包括將所輸入的脈沖的周期設(shè)置為固定周期；以及 控制所述衰減電路的時間常數(shù)以使得預(yù)定衰減量與每個脈沖的 周期相關(guān)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述衰減電路包括電阻-電 容(RC)電路，其具有基于RC電路的時間常數(shù)的指數(shù)衰減響應(yīng)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述衰減電路包括電阻-電 感(RL)電路，其具有基于RL電路的時間常數(shù)的指數(shù)衰減響應(yīng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對衰減電路的輸出進行采值中的寄生信號。 ，、口 _ 、 H , 、 、 " 〃 P
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括相對于采樣時間而改變 用于輸入脈沖的啟動時間以削弱模擬值中的寄生信號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括根據(jù)頻率響應(yīng)的一個或 多個偶然極點的一階系數(shù)在與衰減電路相關(guān)聯(lián)的頻率響應(yīng)中形成零 點，以削弱模擬值中的寄生信號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述數(shù)字字包括尾數(shù)和指數(shù)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述數(shù)字字包括采用浮 點格式和對數(shù)格式之一的數(shù)字字。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中對衰減電路的輸出進行數(shù)來改變。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括相對于采樣時間將用 于輸入脈沖的啟動時間作為指數(shù)的函數(shù)來改變。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述數(shù)字字包括二進制字， 并且其中控制脈沖的定時包括控制所述定時以使得每個脈沖的周期 對應(yīng)于標稱衰減量的二分之一。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述數(shù)字字包括三進制字， 并且其中控制脈沖的定時包括控制所述定時以使得每個脈沖的周期 與標稱衰減量的三分之一相關(guān)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述數(shù)字字包括定點格式 的多個數(shù)字。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括 測量衰減電^各的溫度；以及根據(jù)所測量的溫度來調(diào)整脈沖的定時。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中控制脈沖的定時包括校準 每個脈沖的周期以使得每個脈沖的周期與預(yù)定衰減量相關(guān)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括使數(shù)模轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部定 時與至少一個外部定時信號同步。
20. —種數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將包括多個數(shù)字的數(shù)字字轉(zhuǎn)換成模擬 值，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器包括脈沖發(fā)生器，被配置為串行地輸出表示從最低有效數(shù)字到最高有 效數(shù)字排列的數(shù)字字的數(shù)字的脈沖；衰減電路，其具有已知的衰減響應(yīng)并且被配置為接收脈沖發(fā)生器 所輸出的脈沖；采樣電路，被配置為在衰減電路接收到表示最高有效數(shù)字的脈沖 之后的采樣時間對衰減電路的輸出進行采樣，以生成模擬值；以及 控制器，被配置為相對于衰減響應(yīng)而控制由脈沖發(fā)生器所輸出的脈沖的定時，以使得每個脈沖的周期與預(yù)定衰減量相關(guān)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述衰減響應(yīng)包 括指數(shù)衰減響應(yīng)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器被配 置為通過控制每個脈沖的周期來控制脈沖的定時以使得每個脈沖的 周期與預(yù)定衰減量相關(guān)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器被配 置為將所輸入的脈沖的周期設(shè)置為固定周期；以及 通過控制所述衰減電路的時間常數(shù)來控制脈沖的定時以使得預(yù) 定衰減量與每個脈沖的周期相關(guān)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述衰減電路包 括電阻-電容(RC)電路，其具有基于RC電路的時間常數(shù)的指數(shù)衰 減響應(yīng)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述衰減電路包 括電阻-電感(RL)電路，其具有基于RL電路的時間常數(shù)的指數(shù)衰減 響應(yīng)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述采樣電路被擬值中的寄生信號, ， 、口 —、 ''、，、、'"
27. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器還被擬值中的寄生信號。、 A7、 、 、 口-、、'"
28. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述數(shù)字字包括 尾數(shù)和指數(shù)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述數(shù)字字包括 采用浮點格式和對數(shù)格式之一的數(shù)字字。
30. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述采樣電路被數(shù)來改變。
31. 根據(jù)權(quán)利要求28所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述控制器還被配置改變。
32. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述數(shù)字字包括 二進制字，并且其中所述控制器被配置為控制脈沖的定時以使得每個 脈沖的周期對應(yīng)于標稱衰減量的二分之一 。
33. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述數(shù)字字包括 三進制字，并且其中所述控制器還被配置為控制脈沖的定時以使得每 個脈沖的周期與標稱衰減量的三分之一相關(guān)。
34. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述數(shù)字字包括 定點格式的多個數(shù)字。
35. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器還被 配置為測量衰減電路的溫度；以及根據(jù)所測量的溫度來調(diào)整脈沖的定時。
36. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述控制器還被關(guān)。、 '^ '、、。、、'"、、。、 一
37. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，還包括鎖存器，被配置為使用于脈沖發(fā)生器的內(nèi)部啟動信號與外部啟動 信號同步；以及開關(guān)，被配置為使所述采樣時間與外部采樣時間同步。
38. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其中所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器 包括單極數(shù)模轉(zhuǎn)換器和雙極數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的至少一個。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種快速、高分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。該DAC包括脈沖發(fā)生器、衰減電路、控制器和采樣電路。脈沖發(fā)生器串行地輸出表示數(shù)字字的數(shù)字的脈沖，首先是最低有效數(shù)字。每個脈沖在衰減電路中生成響應(yīng)，其根據(jù)已知的衰減響應(yīng)而隨著時間衰減。一種示例性衰減電路包括具有指數(shù)衰減響應(yīng)的RC電路?？刂破骺刂泼}沖發(fā)生器所輸出的脈沖的定時，以使得每個脈沖的周期與預(yù)定衰減量相關(guān)。采樣電路在衰減電路接收到用于最高有效數(shù)字的脈沖之后的采樣時間對衰減電路的輸出進行采樣。采樣輸出表示與輸入數(shù)字字相對應(yīng)的模擬值。所述數(shù)字字可以具有任意長度、基數(shù)或格式。
文檔編號H03M1/66GK101563847SQ200780047131
公開日2009年10月21日 申請日期2007年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月19日
發(fā)明者P·鄧特 申請人:艾利森電話股份有限公司