模数转换技术及其发展

1、模数转换技术及其发展随着技术的快速进展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用，利用数字系统处理模拟信号的状况变得越发普遍。数字电子计算机所处理和传送的都是不延续的数字信号，而实际中碰到的大都是延续变幻的模拟量，模拟量经转换成电信号的模拟量后，需经模/数转换变成数字信号才可输入到数字系统中举行处理和控制，因而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口-a/d转换器是现实世界中模拟信号向数字信号的桥梁，是电子技术进展的关键和瓶所在。当前，为了适应计算机、通讯和多媒体技术的飞快进展以及高新技术领域的数字化进程不断加快，在工艺、结构、性能上都有了很大的变幻，正在朝着低功耗、高速、高辨别率的方向进展。

2、1 adc的主要类型目前，世界上有多种类型的adc，有传统的并行、逐次靠近型、积分型adc，也有近年来新进展起来的-型和流水线型adc，多种类型的adc各有其优缺点并能满足不同的详细应用要求。低功耗、高速、高辨别率是新型的adc的进展方向，同时adc的这一进展方向将适应现代数字电子技术的进展。任何adc都包括三个基本功能：抽样、量化和编码。抽样过程将模拟信号在时光上离散化，使之成为抽样信号；量化将抽样信号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则将数字信号最弹簧表示成数字系统所能接受的形式。如何实现这三个功能就打算了adc的形式和性能。同时，adc的辨别率越高，需要的转换时光就越长，转换速度就越低，

3、故adc的辨别率和转换速率两者总是互相制约的。因而在进展高辨别率adc的同时要兼顾高速，在进展高速adc的同时要兼顾高辨别率，在此基础上还要考虑功耗、体积、便捷性、多功能、与计算机及通讯网络的兼容性以及应用领域的特别要求等问题，这样也使得adc的结构和分类错综复杂。目前， adc主要有以下几种类型。1.1 并行比较adc并行比较adc是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1gsps以上，通常称为“闪耀式”adc。它由分压器、缓冲器及四种分组成。这种结构的adc全部位的转换同时完成，其转换时光主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时光延迟等。增强输出代码对转换时光的影响较小，但随着辨别率的提高

4、，需要高密度的模拟设计以实现转换所必须的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增强一位，精密电阻数量就要增强一倍，比较器也近似增强一倍。例如，n位的adc需要2n个精密电阻和2(n-1)个并联比较器。分压电阻网络彼此相差1个最低有效位vr/2n,1所示。闪耀式adc的辨别率受管芯尺寸、过大的输入、大量比较器所产生的功率消耗等限制。结果重复的并联比较器假如精度不匹配，还会造成静态误差，如会使输入失调增大。同，这一类型的adc因为比较器的亚稳压、编码气泡，还会产生离散的、不精确的输出，即所谓的“火花码”。这类adc的优点是模/数转换速度最高，缺点是辨别率不高，功耗大，成本高。现代进展的高速

5、adc电路结构主要采纳这种全并行的adc，但因为功率和体积的限制，要创造高辨别率闪耀式adc是不现实的。由两个较低辨别率的闪耀式adc构成较高辨别率的半闪耀式adc或分级型adc是当今世界创造高速adc的主要方式。图2所示是一个8位的两级并行半闪耀式adc的原理框图。其转换过程分为两步：第一步是粗化量化。先用并行方式举行高4位的转换，作为转换后的高4位输出，同时再把数字输出举行d/a转换，复原成模拟电压。其次步是进一步细化量化。把原输入电压与d/a 转换器输出的模拟电压相减，其差值再举行低4全的a/d转换。然后将上述两级a/d转换器的数字输出并联后作为总的输出。这样，在转换速度上作出了一点牺牲

6、，但解决了辨别率提高和元件数目刷增的冲突。现代高速adc与一般adc相比的主要特点是：单电源性能；将基准电源、采样保持器和增益集成在一块芯片上，集成度高；采纳标准的0.6m的工艺开发各种价格的低功耗adc。1.2 逐次靠近型逐次靠近型adc是应用十分广泛的模/数转换办法，它由比较器、d/a转换器、比较寄存器sar、时钟发生器以及控制规律电路组成，将采样输入信号与已知电压不断举行比较，然后转换成二进制数。其原理图3所示，首先将的最高有效位msb保存到sar，接着将该值对应的电压与输入电压举行比较。比较器输出被反馈到dac，并在一次比较前对其举行修正。在规律控制电路和时钟驱动下，sar不断举行比较

7、和移位操作，直到完成lsb的转换，此时所产生的 dac输出靠近输入电压的±1/2lsb。当每一位都确定后，转换结果被锁存到sar并作为adc输出。这一类型adc的优点：高速，采样速率可达 1msps；与其它adc相比，功耗相当低；在辨别率低于12位时，价格较低。缺点：在高于14位辨别率状况下，价格较高；传感器产生的信号在举行模/数转换之前需要举行调理，包括增益级和滤波，这样会显然增强成本。1.3 积分型adc积分型adc又称为双斜率或多斜率adc，是应用比较广泛的一类转换器。它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时光间隔。与此同时，在此时光间隔内利用计数器

8、对时钟脉冲举行计数，从而实现a/d转换。其原理图4所示。其工作分为两个阶段，第一阶段为采样期；其次阶段为比较期。通过两次积分和计数器的计数可以得到模拟信号的数字值d=2nv1/vr，其中n为计数器的位数，v1为输入电压在固定时光间隔内的平均值。积分型adc两次积分的时光都是利用同一个时钟发生器和计数器来确定，因此所得到的d表达式与时钟频率无关，其转换精度只取决于参考电压vr。此外，因为输入端采纳了积分器，所以对沟通噪声的干扰有很强的抑制能力。若把积分器定时积分的时光取为工频信号的整数倍，可把由工频噪声引起的误差减小到最小，从而有效地抑制电网的工频干扰。这类adc主要应用于低速、精密测量等领域，

9、如数字电压表。其优点是：辨别率高，可达22位；功耗低、成本低。缺点是：转换速率低，转换速率在12位时为100300sps。1.4 压频变换型adc前面所讲到的并行比较adc和逐次靠近型adc均属于挺直转换adc，而积分型和下面所讲到的压频变换型adc则属于间接adc。压频变换型adc是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号，然后在固定的时光间隔内对此脉冲信号举行计数，计数结果即为正比于输入模拟电压信号的数字量。从理论上讲，这种adc的辨别率可以无限增强，只要采纳时光长到满足输出频率辨别率要求的累积脉冲个数的宽度即可。其优点是：精度高、价格较低、功耗较低。缺点是：类似于积分型adc

10、，其转换速率受到限制，12位时为100300sps。1.5 -型adc与普通的adc不同，-型adc不是挺直按照抽样第一个样值的大小举行量化编码，而按照前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来举行量化编码。从某种意义讲，它是按照信号波形的包络线举行量化编码的。-型adc由两部分组成，第一部分为模拟-调制器，其次部分为数字抽取，5所示。-调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号举行抽样，并对两个抽样之间的差值举行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号即-码；然后将这种-码送给其次部分的数字抽取滤波器举行抽取滤波，从而得到高辨别率的线性脉冲编码调制的数字信号。因此抽取滤波器事实上相当于一个码型

11、变换器。因为-具有极高的抽样速率，通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍，因此-转换器又称为过抽样a/d转换器。这种类型的adc采纳了极低位的量化器，从而避开了创造高位转换器和高精度电阻网络的困难；另一方面，由于它采纳了-调制技术和数字抽取滤波，可以获得极高的辨别率；同时因为采纳了低位量化输出的采纳高辨别率的码，不会对抽样值幅度变幻敏感，而且因为码位低，抽样与量化编码可以同时完成，几乎不花时光，因此不需要采样保持电路，这就使得采样系统的构成大为简化。这种增量调制型adc事实上是以高速抽样率来换取高位量化，即以速度来换精度。近年来，采纳高辨别率的-型adc颇为流行，它的一个突出优点是在一片混合信号cm

12、os大规模集成电路上实现了adc与数字信号处理技术的结合。这一技术的其它优点：辨别率高达24位；比积分型及压频变换型adc的转换速率高；采纳混合信号cmos工艺，可实现低价格、高辨别率的数据采集和数字信号处理；因为采纳高倍频过采样技术，降低了对传感器信号举行滤波的要求，事实上取消了信号调理。缺点：当高速转换时，需要高阶调制器；在转换速率相同的条件下，比积分型和逐次靠近型adc的功耗高。目前，-型adc分为四类：（1）高速类adc；（2）调制解调器类adc；（3）编码器类adc；（4）传感器低频测量adc。其中每一类-型adc又分为许多型号，给用户带来极大便利。流水线型（pipeline）adc

13、又称为子区式adc，它由若干级级联电路组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低辨别率的adc和dac以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。迅速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。首级电路的采样/保持器对输入信号取样后先由一个m位辨别率粗a/d转换器对输入举行量化，接着用一个起码n位精度的乘积型数模转换器（mdac）产生一个对应于量化结果的模/拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平。并将差值精确放大某一固定增益后关交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的k位细 a/d转换器对残余信号举行转换。将上述各级粗、细a/d的输出组合起来即构成高精度的n位输出。图3所示为一个14位5级流水线型adc的原理图，图7 所示为每级内部结构图。流水线型adc必需满足以下不等式以便订正重叠错误：式中，1为级数，m为各级中adc的粗辨别率，k为精细adc的细辨别率，而 n是流水线adc的总辨别率。流水线adc不但简化了电路设计，还具有如下优点：每一级的冗余位优化了重叠误差的订正，具有良好的线性和低失调；每一级具有自立的采样/保持放大器，前一级电路的采样/保持可以释放出来用于处理下一次采样，因此允许流水线各级同时对多个采样举行处理，从而提高了信号的处理速度，典型的为 tconv不论是传统型adc还是表进展起