一种数模转换解码技术的制作方法

本发明属于数模转换
技术领域：
，具体实现将数字信号转换为模拟信号的功能。
背景技术：
：在传统的数模转换(dac)后，一般需要功率放大器将dac输出的模拟信号经过功率放大，才可以推动功率负载工作。而大功率的模拟负载推动则采用了脉冲放大器，是需要损失部分信号质量的情况下，换取功率放大器的效率提升。技术实现要素：本发明提出了一种新的数模转换技术，其解码后可以直接推动模拟功率负载，而且不需要损失数模转换的信号质量。一个16bit数据的数据结构如图1所示，各数据位意义如下：data[15:14]，采样频率，符号为fdac，表示模数转换时的采样频率值；data[13:11]，整数幅值，符号为ndac，模拟电压摆幅值的整数部分，其值是整数；data[10:4]，小数幅值，符号为ddac，模拟电压摆幅值的小数部分，其值是0～100的整数，表示的是0％～100％的小数；data[3:1]，基压倍数,符号为mdac，模数转换的参考电压倍数值，其值是正整数的偶数；data[0]，极性，符号pdac，模数转换时模拟信号的瞬时极性。模数转换时依靠一个基本参考电压(基压，下同)作为量化标准，模拟信号的采样电压值除以基压值所得的结果，整数部分是“整数幅值”，小数部分是“小数幅值”。而基压倍数只最高参考电压是基压值的多少倍。以下将说明如何从图1所示数据结构中，获得解码所需的关键参数。解码频率：指还原模拟信号所需的工作频率，符号fsw，与fdac关系如下fsw＝(fdac+1)*20khz。极性运算符：指被还原信号的瞬时极性，符号psw，值由pdac计算，有psw＝2*pdac-1当pdac＝0时输出模拟信号的负半周，psw＝-1；当pdac＝1时输出模拟信号的正半周，psw＝+1。解码驱动信号的占空比：符号dsw，解码关系式如下dsw＝(nsw+ddac)*psw/(nsw*psw+pdac)其中，nsw＝(ndac–mdac/2)，表示整数幅值减去基压倍数的中间值，即整数幅值摆幅。等参电源的串联级数vsw：指还原模拟信号所需的等参电源的串联的个数，符号vsw，其值等于基压倍数的中间值，即vsw＝mdac/2。开关位置：指解码驱动信号当前应该驱动解码开关组中什么位置的开关，符号s[x,y]，其中x表示奇数序号位，y表示偶数序号位。是根据ndac、ddac、pdac解码出的逻辑关系值。下表以基压倍数mdac＝4进行了列表说明。表1.开关位置解码表。从表1可以发现，开关位置s[x,y]和ndac的关系式为：当pdac＝1输出正半周时，s[x,y]＝s[2*(ndac-mdac/2)+3,2]；当ndac＝mdac/2且ddac＝0％时，s[x,y]＝s[1,2]；当pdac＝0的负半周时，s[x,y]＝s[1,2*(mdac/2-ndac)+2]。从以上的解码过程中，已经获得了解码开关组所需的关键参数：电源级数vsw，给出了等参电源所需的个数；开关频率fsw，明确了解码驱动信号pwm的频率；占空比dsw，明确了解码驱动信号pwm的占空比；开关位置s[x,y]，pwm应该驱动解码开关组中什么位置的开关。以下将以一个基压倍数mdac＝4的具体解码电路说明解码原理。图2是解码驱动信号的原理方框图，图3是解码开关组原理图，以下将分别说明它们的工作原理。图2分三部分：dac控制器、pwm生成、pwm分发。dac控制器是以fpga器件为核心的数据处理单元，对输入的编码数据流进行解码运算，得到解码参数fsw、dsw、s[x,y]。pwm生成电路的作用是按照解码频率fsw、占空比dsw的要求，使pwm振荡器生成解码驱动信号pwm，该pwm作为pwm分发电路的输入。在pwm分发电路中，输入的开关位置信号s[x,y]被分成了两路：s[x]作为奇数序号的驱动信号，输出为sw_drv[1,3,5]；s[y]作为偶数序号的驱动信号，输出为sw_drv[2,4,6]。一组s[x,y]位置信号仅选通一对驱动信号输出，奇数序号和偶数序号各一个驱动信号，用以驱动解码开关组中对应的开关。例如图2中，如果s[x,y]＝s[1,4]则选通了sw_drv1输出s[x]驱动信号，以及sw_drv4输出s[y]驱动信号。s[x]、s[y]分发的pwm信号都来自pwm生成的同一个pwm。再如s[3,2]选通了sw_drv3、sw_drv2作为一对驱动信号。图3所示解码开关组电路中，由奇数序号位开关s1、s3、s5，等参电源vdc1、vdc2(c1、c2是滤波电容)，偶数序号位开关s2、s4、s6构成。在图3中设定了vout的上端为正下端为负。奇数序号的驱动信号驱动的是奇数序号位的开关s[1,3,5]，它们的输出都连接到了vout+，所以奇数序号位开关输出的电位对vout来说是正极性；而偶数序号的驱动信号驱动的是偶数序号位开关s[2,4,6]，它们连接到了vout-，所以偶数序号位开关输出的电位对vout来说是负极性。所以输出电压vout＝dsw*((vout+)-(vout-))注意：s[x,y]中位置序号可能奇数在前，也可能偶数在前，但是它们都应该遵循上式规律，即奇数序号位开关的输出电位(vout+)减去偶数位序号开关的输出电位(vout-)，再乘以解码占空比dsw后得到输出电压vout。如上述的s[1,4]输入后，解码开关组的输出vout＝dsw*((vout+)-(vout-))＝dsw*((0v)-(vdc1))＝-(dsw*vdc1)。由于电源vdc1和vdc2是等参电源，即它们的电源特性相等，比如输出内阻相等、输出电压相等、纹波电压相等……。所以用vdc表示等参电源的电压，上式变为vout＝-(dsw*vdc)。同样的原理，当s[3,2]输入可以得到vout＝+(dsw*vdc)，所以有vout＝0v～±(dsw*vdc)。上式即是当只有一级电源vdc时，解码开关组的输出电压范围。两级电源的输出范围是vout＝0v～±2*(dsw*vdc)，当dsw＝0％～100％时，有vout＝0v～±2*vdc。从以上分析可知，当解码驱动信号的开关频率fsw固定后，dsw和s[x,y]的控制可以使解码开关组的输出信号是一个正弦波，其值在0v到(±2*vdc)之间变化。当fsw、dsw、s[x,y]是由adc编码电路相关参数解码而来时，输出信号vout也就还原出了编码时的模拟信号。以下将根据一组具体的dac编码值，还原出一个完整的模拟正弦信号。需要解码的数据表如下所示，序号数据(data[fdacndacddacmdacpdac])16进制值1data[0001000000001001]data[0x1009]2data[0001001100101001]data[0x1329]3data[0001100000001001]data[0x1809]4data[0001101100101001]data[0x1b29]5data[0001100000001001]data[0x1809]6data[0001001100101001]data[0x1329]7data[0001000000001001]data[0x1009]8data[0000101100101000]data[0x0b28]9data[0000100000001000]data[0x0808]10data[0000001100101000]data[0x0328]11data[0000100000001000]data[0x0808]12data[0000101100101000]data[0x0b28]13data[0001000000001000]data[0x1008]表2.dac数据表原始数据。以下将根据本发明的解码原理，分析和说明从表2的数据中如何解码出需要的参数，从而最终控制图3中的解码开关组还原模拟信号。以表2中第1个数据0x1009为例进行解码过程的说明。解码频率fsw从图1可知采样频率fdac＝data[15:14]＝2’00＝0，依据解码关系式有fsw＝(fdac+1)*20khz＝20khz。整数摆幅nsw从图1可知基压倍数mdac＝data[3:1]＝2’100＝4；整数幅值ndac＝data[13:11]＝2’010＝2。则nsw＝ndac–mdac/2＝0。极性运算符psw从图1可知极性pdac＝data[0]＝2’1＝1，正极性输出，依据解码关系极性运算符psw＝2*pdac-1＝+1。解码驱动信号的占空比dsw从图1可知小数幅值ddac＝data[10:4]＝2’0000000＝0，则dsw＝(nsw+ddac)*psw/(nsw*psw+pdac)＝0。等参电源的串联级数vsw从图1可知基压倍数mdac＝data[3:1]＝2’100＝4，则vsw＝mdac/2＝2即需要2个等参电源进行串联作为解码开关组的供电电源。开关位置s[x,y]根据已经获得的ndac＝2、ddac＝0％、pdac＝1参数，从表1中查得s[x,y]＝s[1,2]。根据以上解码结果，将dsw＝0、fsw＝20khz输入到图2所示的pwm生成电路，然后将开关位置信号s[x,y]＝s[1,2]输入到pwm分发电路切换驱动信号pwm的位置，使pwm信号加载到sw_drv1、sw_drv2，驱动图3中的上半桥的开关s[x]＝s1以及下半桥的开关s[y]＝s2都开通。当s1开通时上半桥电压vout+＝0v；当s2开通时下半桥电压vout-＝0v，则vout＝dsw*((vout+)–(vout-))＝0％*(0v–0v)＝0v。仿照上述解码过程，可以得出第2组至第13组数据的全部结果，列入下表中。设图3中的等参电源vdc＝vdc1＝vdc2＝12v。序号data[15:0]fsw(khz)nswdswpswvsws[x,y]vout10x10092000％+12[1,2]0％*(0v-0v)＝0v20x132920050％+12[2,3]50％*(12v-0v)＝+6v30x180920+150％+12[2,5]50％*(24v-0v)＝+12v40x1b2920+175％+12[2,5]75％*(24v-0v)＝+18v50x180920+150％+12[2,5]50％*(24v-0v)＝+12v60x132920050％+12[2,3]50％*(12v-0v)＝+6v70x10092000％+12[1,2]0％*(0v-0v)＝0v80x0b2820-150％-12[1,4]50％*(0v-12v)＝-6v90x080820-150％-12[1,6]50％*(0v-24v)＝-12v100x032820-275％-12[1,6]75％*(0v-24v)＝-18v110x080820-150％-12[1,6]50％*(0v-24v)＝-12v120x0b2820-150％-12[1,4]50％*(0v-12v)＝-6v130x10082000％-12[1,2]0％*(0v-0v)＝0v表3.第1组数据0x1009的解码结果根据上表的解码结果绘制的曲线图如图4所示。为了简化图示，图4中没有画出原始数据data[15:0]、fdac、mdac，以及解码结果fsw、vsw。图4分上部的原始数据，按照表3的序号排列；中部的解码数据，根据表3的序号对应的结果排列；下部的输出结果，根据解码结果的驱动输出按时间t0～t13排列。从图4可以看出，无论等参电源的电压多少，只要级数与原始数据中的基压倍数的中点在数量关系上对应，就可以输出正确的结果,只是幅度不同而已。同时由于其经过功率开关s1～s6直接输出pwm波形，所以不需要经过传统的模拟功率放大电路，就可以驱动功率负载工作。由此，提高了功率放大器的效率，简化了功率放大器的结构，并且没有模拟放大器对模拟器件的高要求。因为这里将传统的模拟信号功率放大过程，完全用功率开关管的pwm方式完成。因为从模数编码的过程就分整数部分加小数部分，而解码后是整数摆幅加占空比。所以，编码时的整数部分，就是解码所开通的电源级数；而编码时的小数部分，会经过计算得出解码开关的占空比。这种方式相比脉冲功率放大器，由于采用了整数部分的粗量化加小数部分的精量化，使其信号质量要优于单纯的单级电源加pwm调制方式。而相比于传统的adc+dac+模拟功率放大器，信号质量会更优异。从以上分析可知，本发明的数模转换精度完全取决于模数转换时，小数值的量化精度。以上的vdc＝12v例中，ddac按照100％计算的，也就是最小转换单位1lsb＝1％*vdc＝1％*12v＝0.12v。附图说明附图1数模转换数据结构附图2解码电路控制方框图附图3解码开关组的原理图附图4解码还原出的一个正弦波附图5音频功率放大器实施例具体实施方式图5是一个音频解码电路，其输出负载vout直连喇叭speaker。图5是数据位为24bit的音频解码电路，输入的是音频数据流；12v等参电源是3个串联；解码开关组共有8个开关，奇数序号位s[1、3、5、7]开关，以及偶数序号位s[2、4、6、8]开关。设定工作参数pwm频率fsw＝40khz＝(fdac+1)*20khz，则fdac＝1；等参电源的串联级数vsw＝3＝mdac/2，则mdac＝6；整数摆幅，应该取最大值，即nsw_max＝mdac＝6；极性运算符psw＝2*pdac–1；pwm占空比，要求转换精度达到1mv，则1lsb＝dsw*vdc＝1mv，因vdc＝12v，则dsw＝1/12000，即dsw调整范围是0/12000～12000/12000。则dsw_max＝12000，因dsw＝(nsw+ddac)*psw/(nsw*psw+pdac)，当nsw＝0、pdac＝1时有dsw＝(0+ddac)*1/(0+1)，则ddac_max＝dsw_max＝12000。从图1所示的数据结构中，可知采样频率fdac、整数幅值ndac、小数幅值ddac、基压倍数mdac、极性pdac中：fdac＝data[15:14]＝2’01；ndac＝data[13:11]＝2’110；ddac＝data[10:4]＝2’10111011100000；mdac＝data[3:1]＝2’110；pdac＝data[0]＝2’x。将以上fdac、ndac、ddac、mdac、pdac的二进制位数按照图1所示的数据结构进行拼接，就可以得到图5要求的数模转换的数据结构。总二进制位数为data[fdac+ndac+ddac+mdac+pdac]＝data[2bit+3bit+14bit+3bit+1bit]＝data[23bit]。按照8bit一个字节可使用3个字节的二进制数据结构，即data[msb:lsb]＝[23:0]结果如图5中的音频数据流data[23:0]所示。工作原理当data[23:0]按照上述数据结构编码，并且各字段满足上述要求时，就可以输入到图5的dac控制器进行解码。使dac控制器按照本发明的解码方法输出：fsw，解码驱动信号pwm的频率；dsw，解码驱动信号pwm的占空比；s[x,y]，解码开关组的位置信息。输入到pwm生成中产生pwm信号并经过分发后，从drv[1、3、5、7]和drv[2、4、6、8]分别输出，控制等参电源bt[1、2、3]的输出，使其满足pwm所控制的要求而驱动喇叭工作，还原出data[23:0]所编码的音频信号。当前第1页12