基于PDM的D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)

1 引言

    在數(shù)字信號(hào)處理中，常常需要將多位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為一位數(shù)字信號(hào)。例如，在通信領(lǐng)域，接收器接收到經(jīng)過編碼的數(shù)字語音信號(hào)，需將他轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，即將原來的模擬語音信號(hào)復(fù)原。經(jīng)過編碼的語音信號(hào)，通常是多位的比特流。因此，如何將多位比特流轉(zhuǎn)化為模擬語音信號(hào)，便成為保證通信質(zhì)量的關(guān)鍵。又如，在一些控制電路中，控制信號(hào)是經(jīng)過計(jì)算生成的多位數(shù)字信號(hào)，而這些數(shù)字信號(hào)必須轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)才能對電路進(jìn)行控制。因此，如何將多位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為符合實(shí)際要求的模擬信號(hào)，則成為控制電路設(shè)計(jì)者最關(guān)心的問題。

    在傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，面對上述問題時(shí)，通常選擇使用由多個(gè)分離的電子元器件組成的D/A轉(zhuǎn)換器，有時(shí)我們也稱他為靜態(tài)D/A轉(zhuǎn)換器。但是由于靜態(tài)D/A轉(zhuǎn)換器的組成結(jié)構(gòu)，決定了他在系統(tǒng)中，必須占用一定的空間及消耗一定量的功率。于是在那些要求攜帶方便的系統(tǒng)方案中，靜態(tài)D/A轉(zhuǎn)換器就不得不被替換掉［1］。

    于是人們選擇所謂“數(shù)字基礎(chǔ)”的D/A轉(zhuǎn)換器。而用于數(shù)字D/A轉(zhuǎn)換的方法有2種：PWM（P ulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制和PDM（Pulse Density Modulation）脈沖密度調(diào)制。這種數(shù)字D/A轉(zhuǎn)換器所占用的物理空間比較小，消耗的功率也比較小。因此，適用于對系統(tǒng)硬件大小以及功耗要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)［1］。

    早在20世紀(jì)40年代，PWM就開始被應(yīng)用在電話中。由于PWM的局限性，人們在二十年后，提出了PDM調(diào)制方法。但由于當(dāng)時(shí)的應(yīng)用市場尚不成規(guī)模，因而這種調(diào)制方法一直未能得到廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。近年來，由于數(shù)字技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域里得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)字產(chǎn)品飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理開始得到越來越多的關(guān)注。于是PDM調(diào)制技術(shù)重新得到重視，并被應(yīng)用在不同的領(lǐng)域中。

2 PDM基本介紹　　

    PDM是一種在數(shù)字領(lǐng)域提供模擬信號(hào)的調(diào)制方法。在PDM信號(hào)中，邏輯“1”表示單個(gè)脈沖，邏輯“0”表示沒有脈沖。通常邏輯“1”和邏輯“0”是不連續(xù)的，邏輯“1”比較均勻地分布在每個(gè)調(diào)制信號(hào)周期里。其中單個(gè)脈沖并不表示幅值，而一系列脈沖的密度才對應(yīng)于模擬信號(hào)中的幅值。完全由“1”組成的PDM信號(hào)對應(yīng)于幅值為正的電壓；而完全由“0”組成的PDM信號(hào)則對應(yīng)于負(fù)幅值的電壓；由“1”和“0”交替組成的信號(hào)則對應(yīng)于0幅值的電壓。

3 PDM的實(shí)現(xiàn)

    PDM調(diào)制技術(shù)的邏輯框圖如圖1所示。用1個(gè)分頻計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)符合實(shí)際應(yīng)用要求的時(shí)鐘信號(hào)，脈沖周期為ΔT。再將時(shí)鐘信號(hào)送入Ｎ位計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)0，1，…，2N-1的計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)的單個(gè)脈沖周期ΔT里，將計(jì)數(shù)結(jié)果各個(gè)位上的邏輯值經(jīng)過一系列邏輯操作，實(shí)現(xiàn)Ｎ位比較基準(zhǔn)脈沖信號(hào)，分別為Bit0,Bit1,Bit2,…,Bit(N -1)。值得注意的是，在每一個(gè)ΔT里，都只有一個(gè)位上有邏輯“1”，其他位 上均為邏輯“0”。同時(shí)將寄存器輸出的N位總線數(shù)據(jù)與比較基準(zhǔn)脈沖信號(hào)Bit0,Bit1,Bit2,…,Bit(N-1)進(jìn)行逐位與操作，再將各個(gè)位上的結(jié)果相或，便得到ΔT內(nèi)的調(diào) 制結(jié)果。這樣，在整個(gè)調(diào) 制周期結(jié)束后便得到調(diào)制結(jié)果。

    對于N位的數(shù)字信號(hào)，調(diào)制周期T=2N