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模数转换技术向高精度、高速度方向迈进1引言 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛. R Y* eR: V+ k随着计算机、通信和多媒体技术的飞速发展，全球高新技术领域数字化的程度已不断加深。如今电子产业已经形成了以数字技术为主体的格局，特别是半导体产业显的尤为突出。半导体技术数字化和集成化的日益提高，在推动微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、微机械电子系统（MEMS）的发展中，也推动了“嵌入” 或“隐性”模数转换技术的发展1。在这些因素的影响下，模数转换技术正朝着高精度、高速度的发展方向迈进。 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛. w8 d& T8 U: w/ L为了适应模数转换发展的要求，模数转换技术也变得越来越复杂。本文就模数转换这一领域所应用的主要转换技术以及各自的特点做一简要的介绍，并由此推断出模数转换技术的发展趋势。 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛 Y) E& _* c9 e4 9 l& 2主要模数转换技术 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛- d- S. C1 Z. U, e% 模数转换技术是现实各种模拟信号通向数字世界的桥梁，作为将模拟信号转换成数字信号的模数转换技术主要有以下几种。 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛+ H( V: K2 uW+ H2.1 积分型转换 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛) K7 W9 y$ M: U1 / % U0 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛; g/ I: U! s, o! Q( + ( h, t积分型模数转换技术在低速、高精度测量领域有着广泛的应用，特别是在数字仪表领域。积分型模数转换技术有单积分和双积分两种转换方式，单积分模数转换的工作原理是将被转换的电信号先变成一段时间间隔，然后再对时间间隔记数，从而间接把模拟量转换成数字量的一种模数转换方法，它的主要缺陷是转换精度不高，主要受到斜坡电压发生器、比较器精度以及时钟脉冲稳定型的影响。为了提高积分型转换器在同样条件下的转换精度，可采用双积分型转换方式，双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。双积分型转换方式的特点表现在：精度较高，可以达到22位；抗干扰能力强，由于积分电容的作用，能够大幅抑止高频噪声。但是，它的转换速度太慢，转换精度随转换速率的增加而降低，每秒100300次（SPS）对应的转换精度为12位。所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域.机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛7 f0 n* b9 Y; K1 w S3 f机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛 + j1 % w4 e$ 4 Z/ I# E: g1 T22.2 逐次逼近型转换 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛L! O/ m* s- r+ / d t机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛7 W3 s! Q: l: J- _6 K: X& H5 S逐次逼近型转换方式在当今的模数转换领域有着广泛的应用，它是按照二分搜索法的原理，类似于天平称物的一种模数转换过程。也就是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同的参考电压进行多次比较，使转换后的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。逐次逼近型转换方式的特点是：转换速度较高，可以达到100万次/秒（MPSP）；在低于12位分辨率的情况下，电路实现上较其他转换方式成本低；转换时间确定。但这种转换方式需要数模转换电路，由于高精度的数模转换电路需要较高的电阻或电容匹配网络，故精度不会很高。机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛& D2 f, y- | ! V2.3 并行转换 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛1 P! * n1 T6 : 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛0 T d0 d. m3 o5 H并行转换方式在所有的模数转换中，转换速度最快，并行转换是一种直接的模数转换方式。它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到，因此，并行转换又称为闪烁型转换方式 2。这种转换器的结构。并行转换的主要特点是它的转换速度特别快，可达50MPSP，特别适合高速转换领域。缺点是分辨率不高，一般都在10位以下；精度较高时，功耗较大。这主要是受到了电路实现的影响，因为一个 N位的并行转换器，需要2N1个比较器和分压电阻，当N10时，比较器的数目就会超过1000个，精度越高，比较器的数目越多，制造越困难。机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛! v t, nE) y& z机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛7 D6 Z% P) l& z1 % & F# S+ G. 4 h2.4 流水线转换机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛$ G4 R2 p5 h1 1 y; T流水线型转换方式是对并行转换方式进行改进而设计出的一种转换方式2,3。它在一定程度上既具有并行转换高速的特点，又克服了制造困难的问题。以8位的两级流水线型为例，它的转换过程首先是进行第一级高4位的并行闪烁转换，得到高4位信号；然后把输入的模拟信号与第一级转换后数字信号所表示的模拟量相减，得到的差值送入第二级并行闪烁转换器，得到低4 位信号。除了两级的流水线型转换方式外，还有第第三、第四甚至更多级的转换器。流水线型转换方式的特点是：精度较高，可达16位左右；转换速度较快，16位该种类型的ADC速度可达5MPSP，较逐次比较型快；分辨率相同的情况下，电路规模及功耗大大降低。但流水线型转换方式是以牺牲速度来换取高精度的，另外还存在转换出错的可能。即第一级剩余信号的范围不满足第二级并行闪烁ADC量程的要求时，会产生线性失真或失码现象，需要额外的电路进行调整。 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛 a4 Y: F( q# S- W; j机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛+ e+ l7 Q- m% B1 g6 v, i* C- C( t& n2.5 折叠差值转换 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛/ 5 6 D8 h+ _! f( r机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛& L, Z r5 b5 o+ 由流水线型转换方式可知，通过对输入信号的预处理，使转换器精度提高的同时，可大幅降低元件的数目。流水线型处理的方式是分步转换，其高位和底位数据分步得到，使转换速度受到影响。折叠插值型转换方式克服了流水线型分步转换所带来的速度下降，它通过预处理电路，同时得到高位和低位数据，但元件的数目却大大减少.机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛; g$ F. S; Y, N/ w- h3 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛9 & A* x( X, C+ s9 g折叠插值型转换方式信号预处理的方法是折叠4,5。折叠就是把输入较大的信号映射到某一个较小的区域内，并将其转换成数字信号，这个数据为整个数字量的低位数据。然后再找出输入信号被映射的区间，该区间也以数字量表示，这个数据为整个数字量的高位数据。高位和低位数据经过处理，得到最后的数字信号。它将输入信号折叠成8个区间，用3位数字表示这8个区间。然后再将折叠后的信号转换成5位数字量。机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛1 a3 k8 p+ N, C3 i机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛3 | 4 - ( W* D$ e3 |9 |9 - X( 实际的折叠电路是由多个差分对构成的，并不能形成三角形折叠波，一般在最大值及最小值处较圆滑，造成较大的非线性误差，这可通过采用多个折叠电路的办法进行改进。如果数字量低位部分有5位，采用32个折叠电路，通过调节各个折叠电路的基准电压，使每个折叠区间产生32个过零点，然后把这32路折叠后的信号送入比较器，再经过编码，产生低位数据。但是32路折叠电路的电路规模较大，体现不出它的优势，所以通过插值的方法来产生相同的效果。仍以低位为5位量化为例，只采用4个折叠电路，那么每个折叠区间会有4个折叠波。再利用8个电阻分压产生的基准电压，调节这4个折叠电路，就可以得到另外的7组折叠波，同样可以产生32路折叠波。机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛1 D N: J; A机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛9 v H- H/ h$ z1 G! L# U8 n# q折叠插值转换方式的特点是：数据的两次量化是同时进行的，具有全并行转换的特点，速度较快；电路规模及功耗不大，如这里的8位转换器只需40个比较器。折叠插值方式存在的问题是信号频率过高时，有所谓“气泡”现象产生，需要额外的处理电路；且当位数超过8位时，如要保持较少的比较器数目，折叠插值变得十分麻烦，所以一般只用于8位以下的转换器当中.机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛/ g) U& 3 o4 n5 F8 L- Q% c机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛6 p2 Q1 H& W% p. M* Z7 I2 H. f$ q2.6 过采样模数转换 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛% h. 5 y) S) E0 I! f机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛) e 9 M: 0 过采样模数转换是近十几年发展起来的一种模数转换方式，目前在音频领域得到广泛的应用。过采样ADC由调制器和数字滤波器两部分构成6，调制器是核心部分。调制器利用积分和反馈电路，具有独特的噪声成型功能，把大部分量化噪声移出基带，因而过采样ADC有着极高的精度，可达24位以上。机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛5 X8 TE! a5 g J$ g机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛8 P R6 h2 x r& _1 H) L机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛$ v6 3 f* E7 V$ g0 h4 z$ a由于在进行调制时，采样频率通常是信号最高频率的64256倍，所以通常把这种模数转换方式称为过采样模数转换。模拟信号经过调制后，得到的是一位的高速数字流，包含着大量的高频噪声。因此还需要进行数字滤波，除去高频噪声和降频，转换后的数字信号以奈奎斯特频率（信号最高频率的2倍）输出.机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛|# _2 z6 J* _机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛# U( v9 b W% s- 过采样模数转换的主要特点是：转换的精度很高，可达24位以上；由于采用了过采样调制、噪音成形和数字滤波等关键技巧，充分发扬了数字和模拟集成技术的长处，使用很少的模拟元件和高度复杂的数字信号处理电路达到高精度（16位以上）的目的；模拟电路仅占5，大部分是数字电路，并且模拟电路对元件的匹配性要求不高，易于用CMOS技术实现。但转换方式的采样频率过高，不适合处理高频（如视频）信号，这虽可通过高阶的调制器来解决，但考虑到稳定性，一般只在3阶以下。机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛# & K# x$ S2 I5 ; 3 a机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛: b+ V# s$ E6 W% b3 总结及展望 机械制造论坛 机械贸易网 CAD UG Solidworks MasterCAM 资料分享 免费下载 尽在机械制造论坛: u. e& n: Y- 4 U# D7 M E由于模数转换器在数字多媒体电子系统中应用的扩大，其市场呈稳步增长势头。同时人们对转换器性能的要求越来越高，其技术难度越来越大，但是对模数转换技术的研究开发更加活跃，不断将产品向更高性能推进。如