一种可变分辨率ADC结构 .pdf

总第 47 卷第 532 期 2010 年第 04 期 电测与仪表 E lectri ca l M easu rem ent Instru m entali on V o1 47 N o 532 A pr 2010 一 种可变分辨率A D C结构术 阎波 张 占鹏 李强 电子科技 大学 通信与信息工程 学院 成都 6 11731 摘要 高速快闪式ADC Flash ADC 采用全并行结构 具有很高的模数转换速率 但分辨率较低 本文将di ther 抖 动 技术与高速快闪式ADC结合 提出一种可变分辨率ADC结构 能够在信号频率较低时 将高速ADC的速度转 化为量化精度 提高ADC量化分辨率 本文首先对dither 术提高快闪式ADC分辨率的原理做出了理论分析 给 出了可变分辨率的ADC系统结构 并Matlab环境下对这种结构进行了仿真验证 关键词 高速ADC di ther 量化精度 可变分辨率 中图分类号 TN 710 文献标识码 B 文章编号 1001一 l39O 2010 o4 0078 03 A V ari ab le R esoluti on A D C Structure Y A N Bo ZH A N G Zhan peng LI Q i ang School of Com m uni cati on and Inform ati on E ngi neeri ng Uni versi ty of Electroni c Sci ence and Technology of Chi na Chengdu 61 1731 C hi na A b stract H i gh speed fl ash A D C appli es the full P arallel D esi gn havi ng very h i gh speed for an alog to di gi tal conversi on but low resolu ti on T he paper develops a vari able resoluti on A D C structure b y com bi n i n g the di ther and hi gh speed A D C w h i ch can i n crease the A D C S resoluti on w hen th e i nput si gnal i s a low fr equency on e converti ng the A D C S hi gh speed char acter to resoluti on p reci si on one F i rst the pap er m akes an anal ysi s of th e theory w h i ch i s to i ncrease th e resoluti on of A D C by d i ther and develops th e structure of the vari able resoluti on A D C last val i dates th e stru cture by si m ulated i n M atlab K ey w ords hi gh sp eed fl ash A D C di ther resoluti on quanti fi cati on p reci si on vari ab le resoluti on 0 引 言 A D C将模拟信号转换为数字信号 是数字信号处 理的基础 在通信 航天航空 测控 医疗 数据采集 工业控制等领域有着广泛的应用 目 前ADC的结构主 要有D elta si gm a A D C 逐次逼近A D C 快 闪式A D C Flash ADC 流水线ADC等几种类型 快闪式ADC是 转换速率最快的一种结构 需要大量 的比较器 硬件 的复杂度随着分辨率成指数增长 分辨率较低 1 Dither 抖动 技术在中文中被称为抖动技术 在模 数转化过程 中可以利用其提高A D C 的动态性能 在 ADC量化时 将di ther噪声与输入信号相加后由ADC 量化 使输入信号与量化噪声的相关性减弱 使得输 人信号的幅度随机化 减少错误码字积累 提高AD C 的动态性能 此外小幅di ther的运用还可以提高ADC 分辨率 使得ADC的分辨率提高到1 B以下 21 国家863 目标导向资助项且 2009AA 01Z259 一 78 一 本文将 随机分 布小 幅di ther与快 闪式 A D C t结 合 提出一种分辨率 速度可变的A D C结构 该系统结 构简单 容易实现 能够在某些情况下采用高速低精 度快闪式ADC实现对低频率信号的高精度量化 能够 满足某些情况下测量仪器对模拟信号的量化 1系统结构 1 1 Di ther对A D C精度 的提 高 当输人信号的幅度小于1 LSB 时 由于A D C 的分 辨率有限 输出码字只能为0或l 呈现方波性变化 信 号严重失真 如图 1所示 当 输 入 正 弦 波 加 入 一 个 均 值 为 0 幅 度 为 一 0 5LSB一 0 5LSB均 匀分布的小幅度D i ther时 A D C 的 输出如图2所示 小幅度di ther把原本方波输出的信号 变为宽度调制的波形 输出的宽度调制 的波形里包含 了原始输人信号的信息p 根据这些信息 通过采用多 次叠加统计平均技术能够恢复出原始输入信号 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 47卷第 532 期 2010 年第 o4 期 电测与仪表 E lectri cal M easurem en t Instrum enta ti on V 0I 47 N 0 532 A p r 2010 壹 1 r l I l l l l 0 0 4 0 8 1 2 1 6 2 n me 图1 小幅度信号量化结果 Fi g 1 Th e quanti zed result of sm all am pli tude si gnal 将采样点信号与di ther噪声相加 多次对结果进 行量化 将每一次的量化结果进行累加 最后求平均 可以分辨出1LSB以下的输人信号M 假设s表示时刻t的采样 电压 d 表示第i 次量化时 所加入 的di ther噪声 服从均值0 一 0 5LSB 0 5LSB 均 匀分布的信号 为累加次数 可知E 蝴 s E s 根据上式可知 s di 假设 为第 次加 i l A d i ther N 快闪式A D c 的量化结果 则 也 可 i 1 知采用统计平均所求出的量化电压如下 N 1 V i 1 随着累加次数 的增加s 可无限趋近于真实模拟 信号s 图3为叠 I 127次后 求平均值所得到的波形 从 图3中可以看出D i therT l叠加平均技术波形得到完美的 恢复 这种Di ther和叠加平均技术实际上提高了A D C的 ti m e 图 3 叠 127次平 均结果 F i g 3 T he q uanti zed result by accu m ulate for 127 ti m es 图 4 可变分辨率系统结构 Fi g 4 T he structure of vari able resoluti on A D C 图 2 加 入di ther后量化 结果 F i g 2 T h e quanti zed result of sm all si gnal added b y di ther 分辨率 使低于1 LSB的信号也能分辨出来阎 也就是使 A D C 的有效位数增加 了 实际上以时间换取 了精度 1 2 系统框 图 根据以统计平均来提高ADC分辨率的思想 提出 图 4所示 的系统框 图 该 系统 以4 比特高速快 闪式 ADC为核心 结合外围电路实现分辨率与转换速度的 自适应 通过信号处理模块判断分析信号频率 当信号频 率很高 带宽较宽 分频器不对clk信号分频 断开 di ther产生电路 以低分辨率高速率对输入信号的模 数转换 当信号频率低时 数字信号处理控制分频器 对clk信号进行 分频 7 r为累加平均次数 将di ther噪 声与保持信号相加后传递至高速ADC量化 将量化结 果累加 价 时钟周期后对累加结果进行统计平均 并采用如下所述码字调整算法输出高分辨率码字 当系统工作在低分辨率模式下 将快闪式ADC的 量化结果直接乘以2喻 出 其中m 为欲提高的分辨率 有效位数 当工作在高分辨率模式下 将累加结果乘 以2 进行统计平均并取整生成高分辨率码字 这时 ADC的分辨率位数将提高m 位 2仿真结果 对该系统在M atlab下进行仿真 生成频率变化的 正弦信号 ADC建模为4位分辨率结构 当采用固定分 辨率时 由于快闪式ADC分辨率有限 将会产生很大 的量化误差 当输人信号频率很低时 快闪式ADC采 样量化数次 所输 出的码字依然没有变化 这 时A D C 的高速性质被浪费了 采用上一小节 中所提出的可变分辨率结构进行 建模 快闪式ADC的转换速率为1M SPS 当信号频率高 时 以此速率直接对模拟信号进行量化 当信号频率 很低时 将保持信号与di ther噪声相加后 进行100次 累加 本仿真中将累加结果乘以2 最后将结果进行 统计平均 这时ADC的分辨率提高了3bi t 量化台阶数 由16提高到了128 有效地实现了以快闪式ADC的速 度换取为分辨率 仿真结果如图5所示 79 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 总第 47 卷第 532 期 2010 年第 04期 电测与仪表 E lectri cal M easurem ent Imtrum en tati on V0I 47 No 532 A pr 2010 ti m e 图 5 可变分辨率量化结果 Fi g 5 Th e quanti zed result form vari able resolu ti on A D C 3 结论 本文提出了以高速快闪式ADC为核心 采用统计 平均的方法设计出可变分辨率的A D C结构 该AD C 结 构能够根据信号频率自动实现对分辨率的调节 实现 了精度与速度的自 适应 此外 该系统结构简单 能够 有效地降低设计复杂度 在仪表设计 中以单块高速快 闪式 AD C 实现量化 能够有效地降低系统成本 参 考 文 献 I I 继安 高速高精度ADC集成电路的研究与设计 D1 电子科技大学 博士学位论文 2008 W A NG Ji an R esearch and D esi gn of Integrati on C i rcui t of T he H i gh Speed H i gh Preci si on A D C D C heng D u Ch i nese U E STC of D octor S degr ee thesi s 2008 2 Leon M elkoni an Im provi ng A D C onvener Perform ance U sin g D i therfZ N ati onal Sem i conductor A pplication N ote 804 1992 3 张庆民 高速中频采样和数字下变频的研究 D1 中国科学技术大学 博士学位论文 2000 ZHAN G Qi ng mi ng The research of Hi gh speed for the sampli ng of M F an d D i 6tal Down Conversi on D He Fei Chi nese USTC of Doc tor S Degree the si s 20 0 0 80 4 Yun Shi ang Shu Ban g Sup Song A 15 bi t Li near 20 M S s Pi peli ned ADC Di gitally Cal i brated wi th Si gn al Dependent Di theri ng fJ IEEE JOURNA L OF SOLID STATE CIRCUITS 2008 43 2 342 350 5 A nna D om anska A D Conversi on wi th D i ther Si gnal P ossi bi li ties and Li m i tati ons J M easurem ent Sci ence R evi ew l 1 2001 6 Paolo C arbone D ari o Pe晡 E ffect of addi ti ve d ither on the resoluti on of i deal quanti zers J IE E E Tran sacti on Instrum entati on an d M easurem ent 1994 43 3 389 396 f7 herati ve M ethod an d Di theri ng wi th A veragi ng used for Correcti on of A DC E rro M easurem ent Sci ence R evi ew 2009 9 4 8 V an derkooy J L i psh i SP R esoluti on below th e Least Si gni fi can t B i t i n D