第六章 模数转换器

1、第六章 模数转换器第一节第一节 A/D转换器转换器第二节第二节 A/D 转换器转换器第四节第四节 并联比较型并联比较型ADC第三节第三节 双积分型双积分型ADCADC第五节第五节 两步型模两步型模/数转换（分量程式数转换（分量程式ADC） A/D A/D 转换器转换器(ADC)(ADC)是将输入模拟信号转换成数字信号的装是将输入模拟信号转换成数字信号的装置。一般由置。一般由4 4个部分组成：模拟部分（如参考电压、比较器、个部分组成：模拟部分（如参考电压、比较器、可控积分器等）、采样保持部分、数字或数据产生部分、数可控积分器等）、采样保持部分、数字或数据产生部分、数据输出部分。据输出部分。按工作

2、原理分类按工作原理分类并行比较型并行比较型逐次逼近型逐次逼近型双积分型双积分型V/FV/F转换型转换型按转换方式分类按转换方式分类直接转换直接转换逐次逼近型逐次逼近型双积分型双积分型V/FV/F转换型转换型间接转换间接转换并行比较型并行比较型A/D转换器及分类转换器及分类 A/D转换器及分类（续）转换器及分类（续） 根据A/D转换器的速度和精度，大致可分为三类 ： 1)、高速低(或中等)精度A/D转换器，具体的结构有全并行、两步型、插值折叠型和流水线型。此类A/D转换器速度快，但是精度不高，而且消耗的功耗大，占用的芯片面积也很大，主要用于视频处理、通信、高速数字测量仪器和雷达等领域。 2)、中

3、速中等精度A/D转换器。这一类型的A/D转换器是以速度来换取精度，如逐次逼近型A/D转换器。这一类A/D转换器的数据输出通常是串行的，它们的转换速度在几十kHz到几百kHz之间，精度也比高速A/D转换器高(1016位)，主要用于传感器、自动控制、音频处理等领域。 3)、中速或低速高精度A/D转换器。此类A/D转换器速度不快，但精度很高(1624位)，如-A/D转换器。该类型A/D转换器主要用于音频、通信、地球物理测量、测试仪、自动控制等领域。 A/D转换器的比较转换器的比较各种A/D转换器的性能比较 模拟模拟/数字转换技术的发展趋势数字转换技术的发展趋势 当前，数字处理系统正在飞速发展，主要表

4、现在以下几个方面： 1、在视频领域，高清晰度数字电视系统(HDTV)的出现，将广播电视推向了一个更高的台阶，HDTV的分辨率与普通电视相比至少提高了一倍。 2、在通信领域，过去无线通信系统的设计都是静态的，只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。而软件无线电技术(SDR)能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟踪新技术，大大地推动了无线通信系统的发展。 3、在音频领域，各种高性能专业音频处理设备不断涌现，如DVD-Audio和超级音频CD(SACD)，它们能处理更高质量的音频信号。 4、在高精度测量领域，高级仪表的分辨率在不断提高，电流到达A量级，电压到达mV甚至更

5、低；模拟模拟/数字转换技术的发展趋势（续）数字转换技术的发展趋势（续） 为了满足数字系统的发展要求，A/D转换器的性能也必须不断提高，它将主要向以下几个方向发展： 高转换速度：现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取数据的速度也要不断提高。比如，在软件无线电系统中，A/D转换器的位置是非常关键的，它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GHz和5GHz之间，以目前的技术水平，还很难实现。因此，向超高速A/D转换器方向发展的趋势是清晰可见的。 高精度：现代数字系统的分辨率在不断提高，比如，高级仪表的最小可测值在不断地减小，因此，A/D转换器的分辨率也必须随之提高；在专业音频处理系统中，为了能

6、获得更加逼真的声音效果，需要高精度的A/D转换器。目前，最高精度可达24位的A/D转换器也不能满足要求。现在，人们正致力于研制更高精度的A/D转换器。模拟模拟/数字转换技术的发展趋势（续）数字转换技术的发展趋势（续） 低功耗：片上系统(SOC)已经成为集成电路发展的趋势，在同一块芯片上既有模拟电路又有数字电路。为了完成复杂的系统功能，大系统中每个子模块的功耗应尽可能地低，因此，低功耗A/D转换器是必不可少的。在以往的设计中，5MSPS 812位分辨率A/D转换器的典型功耗为100150mW。这远不能满足片上系统的发展要求，所以，低功耗将是A/D转换器一个必然的发展趋势。 总之，各种技术和工艺的

7、相互渗透，扬长避短，开发出适合各种应用场合，能满足不同需求的A/D转换器，将是模拟/数字转换技术的未来发展趋势；高速、高精度、低功耗A/D转换器将是今后数据转换器发展的重点。1 转换原理转换原理 模拟信号（模拟信号（A A）转换成数字信号（）转换成数字信号（D D）需要时间，所以转）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以号辐值离散。所以ADAD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。散和时间离散。 dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路

8、CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)时间离散时间离散采样定理采样定理辐值离散辐值离散量化编码量化编码采样电路采样电路要求要求在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。采样后保持原信号特征。采样后保持原信号特征。采样定理采样定理max2iSff 采样频率大于采样频率大于2倍输入倍输入信号频率的最大值。信号频率的最大值。采样保持电路采样保持电路 VL R1 + Vi Vo C V A VC Vo , Vi Vo Vi 0 (a) 电路图 (b) 波形图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7

9、t8 t9 t10 t11 t Rf VL采样脉冲信号 VL=1时：时：V导通，导通，VoVcViV采样开关，采样开关，R1RfVL=0时：时：V截止，截止，Vc（Vo）在短时内保持不变。）在短时内保持不变。 集成芯片集成芯片LF198：采样保持放大器，原理如上，：采样保持放大器，原理如上，前端有隔离放大器。前端有隔离放大器。VosOffSet Voltage 量化编码量化编码 为了产生量化编码，在设计（或选择）为了产生量化编码，在设计（或选择）AD器件时，首先应器件时，首先应确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。确定最小量化单位，即单位数字量所代表的模拟量。 如量化单位用如量化单位用

10、表示，量化过程为：表示，量化过程为：把要转换的模拟量除把要转换的模拟量除，得：，得：整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。整数部分，用二进制表示，即得转换数字量。余数部分，即量化误差。余数部分，即量化误差。 误差处理：四舍五入误差处理：四舍五入误差小。误差小。 只舍不入只舍不入误差大。误差大。量化单位越小量化单位越小转换位数越多转换位数越多量化误差越小。量化误差越小。2 逐次逼近型逐次逼近型ADCADC转换方法转换方法 根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数根据设定的转换位数，从大到小依次给出各数位的权值数字量字量（如如4 4位位ADAD，权值数字量分别为，权值数字量分别为100

11、01000，01000100，00100010，00010001），进行进行DA转换，分别得到不同的转换，分别得到不同的Vo，使，使Vo与与Vi进行比较，比较结进行比较，比较结果决定各数值位的取舍，直至果决定各数值位的取舍，直至Vo最逼近最逼近Vi为止，从而得到最终为止，从而得到最终的转换结果。的转换结果。 转换过程类似于天平秤重的过程：设有转换过程类似于天平秤重的过程：设有8g8g、4g4g、2g2g、1g1g四种砝码，被秤重物为四种砝码，被秤重物为13g13g。砝码重量砝码重量比较判别比较判别保留或除去该砝码保留或除去该砝码次数次数1 8g 8g13g 1 8g 8g13g 保留保留2 8

12、g+4g 12g13g 2 8g+4g 12g13g 3 8g+4g+2g 14g13g 去除去除4 8g+4g+1g 13g=13g 4 8g+4g+1g 13g=13g 保留保留原理框图原理框图DADA转换器转换器输出寄存器输出寄存器移位数码寄存器移位数码寄存器控制电路控制电路CPCP脉冲脉冲比较器比较器VoVi 电路电路移位寄存器移位寄存器:G=1:G=1置数置数,EDCBA=11110; ,EDCBA=11110; 有有CPCP左移左移,DL=1,DL=1。寄存器寄存器F0F0F4:DF4:D触发器触发器,D,D为比较结果为比较结果,ViVo,ViVo时时 D=1; D=1; 使用了异

13、步清使用了异步清0 0和置和置1 1端。端。此外还有：此外还有：DACDAC电路、比较器、控制电路（电路、比较器、控制电路（G1G1、G2G2、F5F5）等。）等。原理原理指令指令 0 00 00 00 01 11 1 1 1 1 1 0 01 11 1G1=0G1=0 /Rd=0 /Rd=0Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0 =0000=0000G G移移=1=1 移存置数移存置数,Q,QE EA A=11110 =11110 Q QA A=0 =0 /Sd4/Sd40 0Q4Q41 1数字量数字量B4B3B2B1=1000B4B3B2B1=1000经经DACDAC得得Vo=8

14、V,VoVi Vo=8V,VoVi Vo=1Vo=1设设Vi=13.5V量化单位量化单位=1V原理原理(续续1)指令指令 0 00 00 00 01 11 1 1 1 1 1 0 01 11 1G1=1G1=1 CP5 CP5Q Q5 5 =1 =1 G2G2开门开门,CP,CP可进入移位寄存器可进入移位寄存器G G移移=0=0 置数结束。置数结束。 为移位做好准备。为移位做好准备。原理原理(续续2)CP1 1 10 00 00 01 11 1 1 1 0 0 1 11 11 1左移左移1 1位位 Q QE EA A=11101=11101， Q QB B=0 =0 /Sd3/Sd30 0Q3

15、Q31 1 CP4 CP4 （Vo=1Vo=1） Q4Q41 1数字量数字量B4B3B2B1=1100B4B3B2B1=1100经经DACDAC得得Vo=12V,VoVi Vo=12V,VoVi Vo=14V,VoVi Vo=0Vo=0原理原理(续续4) CP3 1 10 01 10 01 01 0 1 1 1 1 1 11 11 1再左移再左移1 1位位 Q QE EA A=10111=10111， Q QD D=0 =0 /Sd1/Sd10 0Q1Q11 1 CP2 CP2 （Vo=0Vo=0） Q3Q30 0数字量数字量B4B3B2B1=1101B4B3B2B1=1101经经DACDAC

16、得得Vo=13V,VoVi Vo=13V,VoVi Vo=1Vo=1原理原理(续续5) CP4 1 10 01 11 10 10 1 1 1 1 1 1 11 11 1再左移再左移1 1位位 Q QE EA A=01111=01111，Q QE E=0=0/Rd5/Rd50 0Q5Q50 0 G2G2封锁封锁,CP,CP不能进入移位寄存。不能进入移位寄存。/Sd0/Sd00 0Q0Q01 1 CP1 CP1 （Vo=1Vo=1） Q1Q11 1转换结束转换结束ADAD转换结果：转换结果： Q4Q3Q2Q1=1101Q4Q3Q2Q1=1101Q1 Q2 Q3 Q4 Q5ui1D C11D C11

17、D C11D C11D C1&11FF1 FF2 FF3 FF4 FF5&uoCP +Cucd2(22)d1(21)d0(20)FFA Q FFB Q FFCG1 G2 G3G4 G5QG6G7G8=1(ui0) uo dn-1 dn-2 d0 + + TCP CO= Qn A C 原理电路原理电路积分器：积分器：对对ViVi：定时积分。积分时间：定时积分。积分时间T1T1，为计数器由全，为计数器由全0 0计到全计到全1 1 所需的时间。时间所需的时间。时间T1T1由由CPCP决定，电压决定，电压UoUo由由UiUi决定。决定。对对V VR R：定值积分。积分时间：定值积分。积分时间T2T2，

18、为，为UoUo由反向积分到由反向积分到0 0所所 需的时间。需的时间。T2T2由由UoUo 决定。决定。 逻辑 控制门 触发器 n 位二进制计数器 & 输入模拟电压 基准电压 积分器 比较器 控制门 G n 位二进制数字输出 ui VREF S1 S2 R C CP CO =1(uo0) =0(uo0) uo dn-1 dn-2 d0 + + TCP CO= Qn A C 原理电路原理电路比较器：比较器：过过0 0比较，比较， UoUo 0 0时时Co=0,Co=0,封锁封锁G,G,使使CPCP不起作用。不起作用。 UoUo 0 0) uo dn-1 dn-2 d0 + + TCP CO= Q

19、n A C 工作过程工作过程定时积分定时积分 ( (对对Vi)Vi)IcpRCPIRCtioVTVVTdtuun21101 内的平均值。内的平均值。在在是是1TuViI cpnTT21 逻辑 控制门 触发器 n 位二进制计数器 & 输入模拟电压 基准电压 积分器 比较器 控制门 G n 位二进制数字输出 ui VREF S1 S2 R C CP CO =1(uo0) =0(uo0) uo dn-1 dn-2 d0 + + TCP CO= Qn A C 定值积分定值积分 ( (对对V VREF REF ) ) IcpRCPoVTVun2 RRCPtRPoVTVdtVVu210)(1cpNTT 2

20、 IRcpRCcpRCoVNTVTun120 ，当当 IVVNRn2 IVVNRn2 所计的脉冲数所计的脉冲数N N与与V Vi i在在T T1 1内的平内的平均值均值V VI I成正比，成正比，N N即代表了即代表了V VI I的数字的数字形式，完成了形式，完成了ADAD转换。转换。QnQnt tt tt tt tt tV VS1S1V Vi iV VR RV Vo oV VC CV VG GT T1 1T T2 22 2n nN NV Vi iT T2 2双积分型双积分型ADCADC的特点：的特点：抗干扰能力强。抗干扰能力强。(与与Vi平均值成正比平均值成正比)精度高。精度高。(两次积分用

21、同一个积分器，两次积分用同一个积分器， 积分器本身的误差能抵消。积分器本身的误差能抵消。)速度较慢。速度较慢。一般用于工业现场仪表。一般用于工业现场仪表。并联比较型并联比较型00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVVRV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV1513量化4 并联比较型并联比较型ADC00000001510RV000000115

22、3151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVV输入量化 编码1111101011000110100010002、特点、特点*快，快，CP触发信号到达触发信号到达到输出稳定建立只需到输出稳定建立只需几十几十ns*精度，受参考电压、分精度，受参考电压、分压网络等因素影响压网络等因素影响*有存储器，不需要有存储器，不需要S/H电路电路*电路规模，电路规模，n位需要位需要2n-1比较器，触发器。比较器，触发器。*n大于大

23、于10时，电路的规时，电路的规模很大，功耗也很大，模很大，功耗也很大，限制了它的使用范围。限制了它的使用范围。3、应用中应注意的几个问题、应用中应注意的几个问题（1）闪电式转换器的输出问题AD9688与AD9000的输出方式AD9002的输出方式（2）闪电式转换器的误差问题 大多数闪电式大多数闪电式ADC都对编码命令脉冲的工作比和频率都对编码命令脉冲的工作比和频率有点敏感，因为微分和积分的非线性的变化和时钟频率以有点敏感，因为微分和积分的非线性的变化和时钟频率以及工作比有关，特别是当转换器工作在规定的最高采样速及工作比有关，特别是当转换器工作在规定的最高采样速率时，微分与积分非线性的变化尤为明

24、显。率时，微分与积分非线性的变化尤为明显。 在高摆动率的信号输入时，比较器亚稳态引起的假信在高摆动率的信号输入时，比较器亚稳态引起的假信号码可能会出现，及所谓的号码可能会出现，及所谓的“沸腾沸腾”现象，即比较器群温现象，即比较器群温度计码中出现度计码中出现0的现象。这可通过精心设计比较器减少这个的现象。这可通过精心设计比较器减少这个现象的发生。现象的发生。 参考梯形电阻失配、比较器输入失调电压和偏置电流参考梯形电阻失配、比较器输入失调电压和偏置电流等也会引起非线性误差。等也会引起非线性误差。（3）闪电式转换器的驱动问题 加到闪电工加到闪电工ADC上的视频信号通常来自低阻信号源，其上的视频信号通

25、常来自低阻信号源，其源阻抗为源阻抗为50、75或或93欧，信号可以是单极性也可以是双极性欧，信号可以是单极性也可以是双极性的。当的。当ADC的输入范围与信号不适合时，就要增加一宽带的输入范围与信号不适合时，就要增加一宽带运算放大器，它的增益和偏置均可调，以适合运算放大器，它的增益和偏置均可调，以适合ADC。限流电阻，但太大影响带宽540欧肖特基二极管 如：如：AD9611驱动放驱动放大器增益带宽积为大器增益带宽积为280MHz，转换速率达，转换速率达到到2100V/uS，调整时，调整时间是间是13nS(至至0.1%)。（4）参考电压问题 闪电式闪电式ADC中的电阻网络阻值一般不高，因而参考电压

26、源必中的电阻网络阻值一般不高，因而参考电压源必须要有相当的电流输出能力。须要有相当的电流输出能力。 如参考电压源如参考电压源AD580输出输出2.500V +0.4%，长期稳定性为，长期稳定性为250uV(25uV/月月)，输出电流为，输出电流为10mA。可适用于。可适用于812位位ADC。旁路电容，采样速旁路电容，采样速率大于率大于20MHz时必须时必须用，尽量靠近用，尽量靠近ADC的的VREF引脚引脚（5）闪电式转换器的用法）闪电式转换器的用法-以以AD9002为例为例AD9002是是8位闪电式位闪电式ADC，速，速率达率达150MPS，它有，它有256个快个快速比较器，这些比较器的滞速比

27、较器，这些比较器的滞后值可以调节，当滞后控制后值可以调节，当滞后控制电压由电压由-5.2V调到期调到期-2.2V时，时，滞后值由滞后值由0mV调到调到100mV。 Vm为电阻网络的中点抽为电阻网络的中点抽头。头。AD9011混合电路增加电流反馈放大电路，有三种不同增益（增加电流反馈放大电路，有三种不同增益（-1、-2、-4）的输）的输入，以适应不同的模拟量输入范围；钳位电路保护输入端；入，以适应不同的模拟量输入范围；钳位电路保护输入端；数据输出数据输出采用奇偶次分路输出方式，可以降低对外接存储器的性能采用奇偶次分路输出方式，可以降低对外接存储器的性能（速度）要求。（速度）要求。参考电压采用可控

28、参考电压，可以改变它的有效增益。例如采用可控参考电压，可以改变它的有效增益。例如VI较小较小时，可以用较小的时，可以用较小的VR，就可以得到，就可以得到N位的数据。位的数据。非线性传递特性分段采用不同的传递函数可分段采用不同的传递函数可以得到不同的转换精度。以得到不同的转换精度。提高采样速率方法两个闪电式转换器交替工作可以提高采样速率。但要注意两个闪电式转换器交替工作可以提高采样速率。但要注意延迟与带宽的匹配，以免使动态特性变坏。延迟与带宽的匹配，以免使动态特性变坏。5 两步型模两步型模/数转换（分量程式数转换（分量程式ADC） 两步型两步型A/D转换器的结构如下图所示。首先，由一个粗分转换器

29、的结构如下图所示。首先，由一个粗分全并行全并行A/D转换器对输入进行高位转换，产生转换器对输入进行高位转换，产生N1位的高位数字位的高位数字输出，并将此输出通过数字输出，并将此输出通过数字/模拟转换，恢复为模拟量；然后，模拟转换，恢复为模拟量；然后，将原输入电压与此模拟量相减，对剩余量进行放大，再送到将原输入电压与此模拟量相减，对剩余量进行放大，再送到一个更精细的全并行模拟一个更精细的全并行模拟/数字转换器进行转换，产生数字转换器进行转换，产生N2位的位的低位数字输出；最后，将这两个低位数字输出；最后，将这两个A/D转换器的输出并联，作为转换器的输出并联，作为总的数字输出。总的数字输出。 两步

30、型模两步型模/数转换（分量程式数转换（分量程式ADC）（续）（续） 存在的问题存在的问题：1、剩余量必须被放大到刚好、剩余量必须被放大到刚好“充满充满”第二个闪电式转换器第二个闪电式转换器的输入模拟量范围，否则会产生非线性和失码。的输入模拟量范围，否则会产生非线性和失码。2、分量程、分量程ADC中有中有5种误差来源：种误差来源： 1）闪电式转换器的增益、失调和线性误差）闪电式转换器的增益、失调和线性误差 2）数模转换器的增益、失调和线性误差）数模转换器的增益、失调和线性误差 3）数模转换器的调整时间误差）数模转换器的调整时间误差 4）剩余量放大器的增益、失调和调整时间误差）剩余量放大器的增益、

31、失调和调整时间误差 5）第二个闪电式转换器的增益、失调和线性误差）第二个闪电式转换器的增益、失调和线性误差两步型模两步型模/数转换（分量程式数转换（分量程式ADC）（续）（续） 数字校正技术数字校正技术： 分量程分量程ADC的基本模块如下图所示，由的基本模块如下图所示，由N1位闪电式转换位闪电式转换器、器、DAC、剩余量放大器等组成。对这基本模块测试，在、剩余量放大器等组成。对这基本模块测试，在理想状态下，各部理想状态下，各部件没有误差，剩余件没有误差，剩余量放大器的输出对量放大器的输出对模拟输入应当呈锯模拟输入应当呈锯齿波形，如图所示，齿波形，如图所示，随着模拟输入的增随着模拟输入的增大，大

32、，N1位闪电位闪电ADC的输出数据也增大，的输出数据也增大，而剩余剩余量放大而剩余剩余量放大器输出的变化也必器输出的变化也必然相等，然相等，基本模块R两步型模两步型模/数转换（分量程式数转换（分量程式ADC）（续）（续） 其值其值R相应于相应于N2位闪电式位闪电式ADC的输的输 入模拟量范围，如果这些入模拟量范围，如果这些锯齿并不精确地锯齿并不精确地“充满充满”R，则整个转换器的传递函数就会，则整个转换器的传递函数就会出现非线性。出现非线性。R01234 假定上图中假定上图中N1=4、N2=8是一个是一个12位的转换器，由于第一位的转换器，由于第一个闪电式转换器为非理想情况，结果使剩余量放大器

33、的输个闪电式转换器为非理想情况，结果使剩余量放大器的输出波形发生了畸变，如下图，码出波形发生了畸变，如下图，码2为期望量化电平的为期望量化电平的1.5倍，倍，而码而码3则为则为0.5倍，这种误差的形成可以解释为第一个闪电式倍，这种误差的形成可以解释为第一个闪电式ADC的比较器群参考电压中第三个数值偏高，因而模拟输的比较器群参考电压中第三个数值偏高，因而模拟输入和数模转换器输出之差增大，使剩余量放大器输出的锯入和数模转换器输出之差增大，使剩余量放大器输出的锯齿电压幅度改变。齿电压幅度改变。N1输出为输出为2时，时，ADC输出的最大数值是：输出的最大数值是：2*256+255=767，该输出码值一

34、直保持到第一个，该输出码值一直保持到第一个ADC转换到转换到3,两步型模两步型模/数转换（分量程式数转换（分量程式ADC）（续）（续） 此时整个此时整个ADC的输出是：的输出是：3*256+128=896，于是有，于是有128个码值不出个码值不出现。为了不出现失码，当信号超过范围现。为了不出现失码，当信号超过范围R时，可以把第一个时，可以把第一个ADC的输出码加的输出码加1，输出码值为，输出码值为3*256=768，而后随着模拟输入，而后随着模拟输入的增大而连续增加到峰值的增大而连续增加到峰值768+127=895，这样就不失码了。，这样就不失码了。R01234 同样地，出现下图的情况时，是由

35、于第三个参考电压偏低同样地，出现下图的情况时，是由于第三个参考电压偏低所致，校正方法是当锯齿波幅度低于所致，校正方法是当锯齿波幅度低于R时，把第一个时，把第一个ADC的输的输出码减出码减1，于是总输出码变为，于是总输出码变为768-128=640，而其前一个码为，而其前一个码为512+127=639，无失码。，无失码。但是这样的方式进行修正必然影响但是这样的方式进行修正必然影响ADC的转换速度。的转换速度。两步型模两步型模/数转换（分量程式数转换（分量程式ADC）（续）（续） 对于一个分辨率为对于一个分辨率为N位的位的ADC，可能引起的误差不超过最低，可能引起的误差不超过最低有效位的有效位的

36、，也就是锯齿波幅度的摆动值不超过，也就是锯齿波幅度的摆动值不超过R，这样对，这样对于第二个闪电式于第二个闪电式ADC的编码范围应从的编码范围应从-128+383，而不是，而不是0255。所以应用所以应用9位的位的ADC而不是而不是8位，多出的这一位作校正用。通常，位，多出的这一位作校正用。通常，设某级有设某级有C位校正，它就可以校正最低有效位的位校正，它就可以校正最低有效位的( -1)例如例如1位校正，可校正位校正，可校正LSB。R01234 闪电式闪电式ADC的编码从负值开始不方便，可以用偏置的办法的编码从负值开始不方便，可以用偏置的办法使其编码均在正值范围内。使其编码均在正值范围内。2C-

37、12802553830383511128两步型模两步型模/数转换（分量程式数转换（分量程式ADC）（续）（续） 用了数字校正技术，可以使第一个闪电式用了数字校正技术，可以使第一个闪电式ADC分辨率低而分辨率低而只需要高速，而且可以校正第一个闪电式只需要高速，而且可以校正第一个闪电式ADC的增益误差、失的增益误差、失调误差、线性误差和位调误差、线性误差和位1处的最低有效位误差，只要这些误差处的最低有效位误差，只要这些误差不超过校正范围，就不会影响整个转换器的线性。不超过校正范围，就不会影响整个转换器的线性。 不过，多一个校正级就要有三个模拟调节：不过，多一个校正级就要有三个模拟调节： 1、数模转

38、换器相对于输入的增益，它控制了误差波形的、数模转换器相对于输入的增益，它控制了误差波形的倾斜度，理想情况应当是平的。倾斜度，理想情况应当是平的。 2、调节误差波形使之处于第二个闪电式、调节误差波形使之处于第二个闪电式ADC的输入范围的输入范围的中间位置（即误差波形偏置）；的中间位置（即误差波形偏置）； 3、剩余量放大器的增益，使数模转换器的每种输出正好、剩余量放大器的增益，使数模转换器的每种输出正好适合第二个闪电式适合第二个闪电式ADC的输入范围。的输入范围。 这三种调节的精度只要比第一个这三种调节的精度只要比第一个ADC的分辨率高就可以了。的分辨率高就可以了。6 分量程式分量程式ADC设计设

39、计分量程数字校正模数转换器的设计：分量程数字校正模数转换器的设计：1、设计原则：、设计原则：第一个闪电式转换器的位数要少。第一个闪电式转换器的位数要少。原因：原因： 1、余差波形要放大到适合于第二个闪电式转换器的输入、余差波形要放大到适合于第二个闪电式转换器的输入范围，因而每增加一位就要求剩余量放大器的增益加倍，范围，因而每增加一位就要求剩余量放大器的增益加倍，这样放大器的调整时间就会延长，从而影响整个转换器的这样放大器的调整时间就会延长，从而影响整个转换器的转换速度。转换速度。 2、可以放宽对跟踪保持器误差与失调误差的要求，第一、可以放宽对跟踪保持器误差与失调误差的要求，第一个闪电式转换器的

40、误差只占校正范围的很小一部分，于是个闪电式转换器的误差只占校正范围的很小一部分，于是其他误差例如温度漂移等也可以被校正。其他误差例如温度漂移等也可以被校正。 3、简化误差校正电路和缩小数模转换器的规模。、简化误差校正电路和缩小数模转换器的规模。分量程式分量程式ADC设计（续）设计（续） 2、构成：第第i级电路级电路 整个整个ADC各级连接方法图各级连接方法图分量程式分量程式ADC设计（续）设计（续） 1()kiiiNNC625. 0810*2122CViCid2 现假定要设计一个现假定要设计一个K级分级分量程数字校正模数转换器，量程数字校正模数转换器，令令Ni和和Ci分别表示第分别表示第i级闪

41、电级闪电式转换器和数字校正器的位式转换器和数字校正器的位数，（注意：数，（注意：C1=0），于是），于是它们的数值应当分别为：它们的数值应当分别为： 因为每级闪电式转换器的位数应是其输出数据的位数因为每级闪电式转换器的位数应是其输出数据的位数和校正输出的位数之和，因而整个转换器输出数据的总位和校正输出的位数之和，因而整个转换器输出数据的总位数数N应当为：应当为：iNin2分量程式分量程式ADC设计（续）设计（续） 11022iivijcicijiVViAnEV011iijjVEn 第第i级的相加器增益不仅和接在它后面的闪电式转换器的输级的相加器增益不仅和接在它后面的闪电式转换器的输入范围入范围

42、Vi有关，而且和该级的校正位数有关：有关，而且和该级的校正位数有关：式中式中Ei为第为第i级输入电压范围级输入电压范围(实际输入电压实际输入电压)，它与整个转换，它与整个转换器的电压输入范围有以下关系式：器的电压输入范围有以下关系式：为已转换位数所能表示的最大数值。为已转换位数所能表示的最大数值。11ijjn （1）分量程式分量程式ADC设计（续）设计（续） 第第i级的剩余量放大器的输出为：级的剩余量放大器的输出为：另：整个转换器的输入偏置校正：另：整个转换器的输入偏置校正：第第i级误差波形偏置量：级误差波形偏置量：由上述方程或以设计出多级数字校正分量程模数转换器。由上述方程或以设计出多级数字

43、校正分量程模数转换器。iioinEe kiCiCOVV1iCiijjCiCiEnVV2) 12(2) 12(110 （2）分量程式分量程式ADC设计（续）设计（续） 2 . 01*1*1021VA8 . 08*2*1022VA8 .1264*8*4*1013VA 例如，设计一个例如，设计一个12位位ADC，令，令K=3（三级校正），转换器（三级校正），转换器输出位数共输出位数共12位，假定位，假定VI的范围的范围R0=10V，考虑，考虑N1=3，N2=6和和N3=6，且令，且令C1=0，C2=1和和C3=2，三个闪电式转换器的输入范，三个闪电式转换器的输入范围可选围可选R1=2，R2=2和和R

44、3=1，由（，由（1）可求出：）可求出：0110*2111CV625. 0810*2122CV0293. 064*810*2143CV由(2)式求出：分量程式分量程式ADC设计（续）设计（续） 12位三级校正模数转换器位三级校正模数转换器总的VC0：654. 03210CCCCVVVV 所以前两级的增益小于所以前两级的增益小于1，因而可以用电阻分压器来代替，因而可以用电阻分压器来代替运算放大器。所以总的运算放大器。所以总的ADC框图如下。框图如下。7 流水线型模拟流水线型模拟/数字转换数字转换 流水线型流水线型A/D转换器是转换器是对两步型对两步型A/D转换器的进转换器的进一步扩展，其结构如右

45、图一步扩展，其结构如右图所示。它将一个高分辨率所示。它将一个高分辨率的的n位模拟位模拟/数字转换分成数字转换分成多级的低分辨率的转换，多级的低分辨率的转换，然后将各级的转换结果组然后将各级的转换结果组合起来，构成总的输出。合起来，构成总的输出。每一级电路由采样每一级电路由采样/保持保持电路电路(S/H)、低分辨率、低分辨率A/D转换器、转换器、D/A转换器、减转换器、减法器和可提供增益的级间法器和可提供增益的级间放大器组成。放大器组成。 流水线型流水线型A/D转换器结构框图转换器结构框图 流水线型模拟流水线型模拟/数字转换（续）数字转换（续）优点优点: 1。每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，

46、具有良。每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的线性和低失调；好的线性和低失调； 2。每一级都具有各自独立的采样保持放大器，因此允。每一级都具有各自独立的采样保持放大器，因此允许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了转换许流水线各级同时对多个采样进行处理，从而提高了转换速度速度; 3。分辨率相同的情况下，电路规模及功耗大大降低。分辨率相同的情况下，电路规模及功耗大大降低。缺点缺点: 1。复杂的基准电路和偏置结构；。复杂的基准电路和偏置结构； 2。输入信号必须穿过数级电路，造成流水延迟。输入信号必须穿过数级电路，造成流水延迟; 3。对工艺缺陷和印刷线路板较敏感，这会影响增益非。对工艺

47、缺陷和印刷线路板较敏感，这会影响增益非线性、失调及其它参数。线性、失调及其它参数。流水线型模拟流水线型模拟/数字转换（续）数字转换（续）目前，普遍采用两种新技术来提高流水线目前，普遍采用两种新技术来提高流水线A/D转换器的性能转换器的性能一一. 时间交织技术：使多条流水线并行工作，可大大提高转时间交织技术：使多条流水线并行工作，可大大提高转换速率；但并行的通道数不能太多，否则，会大大增加芯换速率；但并行的通道数不能太多，否则，会大大增加芯片面积和功耗，而且各个通路之间需要高度匹配，在工艺片面积和功耗，而且各个通路之间需要高度匹配，在工艺上很难实现。有人用上很难实现。有人用4个并行通道的流水线个

48、并行通道的流水线A/D转换器，采转换器，采用用0.5mCMOS工艺实现，该工艺实现，该A/D转换器的采样率高达转换器的采样率高达200MSPS，分辨率为，分辨率为10位。位。二二. 数字校准技术：其主要思想是将校准周期内测量到的误数字校准技术：其主要思想是将校准周期内测量到的误差存放在存储器中，然后在正常运算周期内，通过原始码差存放在存储器中，然后在正常运算周期内，通过原始码寻址，得到校对码，再通过原始码和校对码的运算，得到寻址，得到校对码，再通过原始码和校对码的运算，得到最终的数字输出。这种技术可对模拟电路的失调不匹配以最终的数字输出。这种技术可对模拟电路的失调不匹配以及非线性引入的误差等进

49、行有效的校正，从而使流水线及非线性引入的误差等进行有效的校正，从而使流水线A/D转换器的精度超过转换器的精度超过10位。位。 8 8 位串行流水线模数转换器位串行流水线模数转换器 位串行流水线模数转换器是一种串行模数转换技术，这位串行流水线模数转换器是一种串行模数转换技术，这是介于逐次近拟法和分量程法之间的一种方法，如图所示是介于逐次近拟法和分量程法之间的一种方法，如图所示为位串行流水线模数转换器原理图。为位串行流水线模数转换器原理图。 位串行流水线位串行流水线ADC的每一级均由采样保持器，互补输出比的每一级均由采样保持器，互补输出比较器、减法器、开关和增益为较器、减法器、开关和增益为2的放大

50、器构成。第一级决定最的放大器构成。第一级决定最高有效位高有效位(MSB)，输入信号，输入信号VI经采样保持器后与经采样保持器后与VREF/2比较，若比较，若信号比信号比VREF/2大，则减去大，则减去VREF/2后送到增益为后送到增益为2的放大器；若信号的放大器；若信号比比VREF/2小，则信号直接送到增益为小，则信号直接送到增益为2的放大器。这时就决定了的放大器。这时就决定了MSB位为位为1或或0。第一位处理完后，第二级的采样保持器就进行。第一位处理完后，第二级的采样保持器就进行采样并保持，它的动作比第一级采样保持延迟一采样并保持，它的动作比第一级采样保持延迟一位串行流水线模数转换器个节拍，

51、对信号的处理和第一级完全一样，它决定了第二个节拍，对信号的处理和第一级完全一样，它决定了第二最高有效位，以后各级工作则类推，只是后一级的处理比最高有效位，以后各级工作则类推，只是后一级的处理比前一级延迟一个节拍。这种方法的特点是当某一级处理完前一级延迟一个节拍。这种方法的特点是当某一级处理完（把状态送入对应的寄存器的对应位）后下一个节拍就可（把状态送入对应的寄存器的对应位）后下一个节拍就可以处理下一次转换的信号，因而其转换速度达到串行转换以处理下一次转换的信号，因而其转换速度达到串行转换速度的上限。速度的上限。 缺点：位串行流水线转换方法虽然速度快，但每一级都缺点：位串行流水线转换方法虽然速度

52、快，但每一级都有失调误差和增益误差，这些误差必须校正，否则会沿流有失调误差和增益误差，这些误差必须校正，否则会沿流水结传播。水结传播。9 算术模数转换器 算术模数转换器也是算术模数转换器也是一种串行模数转换器，将一种串行模数转换器，将位串行流水线处理单元略位串行流水线处理单元略作变化，就可以在单级中作变化，就可以在单级中完成同样的转换过程。完成同样的转换过程。 算术模数转换器又称为循环模数转换器。如上图，信号输算术模数转换器又称为循环模数转换器。如上图，信号输入后，接通输入信号的开关入后，接通输入信号的开关S1就断开，信号经放大到就断开，信号经放大到2倍后经倍后经采样保持并与采样保持并与VRE

53、F比较。若信号大于比较。若信号大于VREF，最高有效位置，最高有效位置1，信，信号通路就选择与号通路就选择与VREF相减的那一路，其差通过另一开关相减的那一路，其差通过另一开关S2至放至放大器，在第二个时钟信号时作第二次采样保持，然后再与大器，在第二个时钟信号时作第二次采样保持，然后再与VREF比较。若信号小于比较。若信号小于VREF，最高有效位置，最高有效位置0，信号选择直通放大器，信号选择直通放大器的那一路，并在第二个时钟信号到来时进行第二次采样保持，的那一路，并在第二个时钟信号到来时进行第二次采样保持，然后再与然后再与VREF比较，以决定第二最高有效位。上述过程按时钟比较，以决定第二最高

54、有效位。上述过程按时钟进行，直到第进行，直到第N个时钟，第一次模数转换结束，这时信号通道个时钟，第一次模数转换结束，这时信号通道开关又闭合，进行第二次模数转换。这种方法也有误差形成，开关又闭合，进行第二次模数转换。这种方法也有误差形成，但只需要在单级内校正。但只需要在单级内校正。10 -模拟模拟/数字转换器数字转换器 -A/D转换器是目前精度最高的转换器是目前精度最高的A/D转换器。其结构如转换器。其结构如下图所示，它由下图所示，它由-调制器和数字滤波器组成。调制器包括调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积分器和比较器，以及含有一个一个积分器和比较器，以及含有一个1位位D/A转换器的反馈转换

55、器的反馈环；调制器具有噪声整形功能，将量化噪声从基带内搬移环；调制器具有噪声整形功能，将量化噪声从基带内搬移到基带外的更高频段，从而提高了信噪比。而且，调制器到基带外的更高频段，从而提高了信噪比。而且，调制器以远高于以远高于Nyquist采样率的频率对模拟信号进行采样，可减采样率的频率对模拟信号进行采样，可减少基带范围内的噪声少基带范围内的噪声功率，使转换精度功率，使转换精度进一步提高。经调进一步提高。经调制器输出的是制器输出的是1位的位的高速高速-数字流，数字流，包含大量高频噪声，包含大量高频噪声，因此需要数字滤波因此需要数字滤波器，滤除高频噪声，器，滤除高频噪声，降低抽样频率。降低抽样频率

56、。 采样差动放大器输出积分器输出比较器输出DAC输出10.80.81+12-0.20.61+13-0.20.41+14-0.20.21+15-0.200-161.81.81+17-0.21.61+18-0.21.41+19-0.21.21+110-0.21.01+111-0.20.81+112-0.20.61+113-0.20.41+114-0.20.21+115-0.200-1例：令输入VI=0.8V，VREF=1V，各点输出如下表。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）优点：优点： 1、是目前精度最高的、是目前精度最高的A/D转换器；转换器； 2、具有极其优越的线性度、无需微调；、具

57、有极其优越的线性度、无需微调； 3、更低的防混淆。、更低的防混淆。缺点：缺点： 1、过采样技术要求采样频率远高于输入信号频率，从而、过采样技术要求采样频率远高于输入信号频率，从而限制了输入信号带宽；限制了输入信号带宽； 2、随着过采样率的提高，功耗会大大增加；、随着过采样率的提高，功耗会大大增加； 3、数字滤波电路复杂。、数字滤波电路复杂。-模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）-ADC中采用以下几种技术以提高转换精度：中采用以下几种技术以提高转换精度： 1、过采样技术过采样技术： 用用fN来表示来表示Nyquist调制器工作时的采样率，而它与基带调制器工作时的采样率，而它与基带信号最高频

58、率信号最高频率fB的关系工程上一般为的关系工程上一般为fN2.2fB2.5fB。所谓过。所谓过采样，就是指采样速度采样，就是指采样速度fs远大于远大于fN。这里称。这里称M=fs/fN为为“过采过采样比样比”。在。在-ADC的设计中，的设计中，M远大于远大于1，且取为，且取为2的整数的整数次幂次幂(如如32、64等等)。 过采样带来的好处为压缩基带内量化噪声，降低对输过采样带来的好处为压缩基带内量化噪声，降低对输入端模拟滤波器的要求等。入端模拟滤波器的要求等。 但是，光凭过采样来压缩基带内噪声是低效率的，提但是，光凭过采样来压缩基带内噪声是低效率的，提高高4倍采样率可相当于提高倍采样率可相当于

59、提高1bit分辨率，及分辨率要提高分辨率，及分辨率要提高N位，位，必须用必须用 倍的过采样率，所以用过采样提高分辨率是倍的过采样率，所以用过采样提高分辨率是有限的。有限的。 22Nk 可以用频域分析方法来讨论过采样问题：可以用频域分析方法来讨论过采样问题： 对一个输入信号，它的量化过程就是和阶梯电压比较获对一个输入信号，它的量化过程就是和阶梯电压比较获取数值过程，误差在间隔区间取数值过程，误差在间隔区间 上是一个随机量，并且上是一个随机量，并且是等概率的（是等概率的（q是相邻两个阶梯电压的差值，即是相邻两个阶梯电压的差值，即1个个LSB的电的电压宽度），由此可以推导出噪声能量为压宽度），由此可

60、以推导出噪声能量为 ，进一步，进一步可以得到噪声能量的谱密度函数为可以得到噪声能量的谱密度函数为 ，其中，其中fs为采样为采样速度，噪声能量均匀分布在奈奎斯特频带从直流到速度，噪声能量均匀分布在奈奎斯特频带从直流到fs/2范围范围内，如下图所示。（模拟低通滤波器将滤除内，如下图所示。（模拟低通滤波器将滤除fs/2以上的噪以上的噪声）。声）。 -模拟模拟/数字转换器（续）数字转换器（续）221 2eq(,)22qq2()12sqNff量化噪声 如用如用Kfs的采样速率对输入信号进行采样（的采样速率对输入信号进行采样（K为过采样为过采样倍率），柰奎斯特频率增至倍率），柰奎斯特频率增至Kfs/2，整