模数转换技术的分析与比较

目录引言11模数〔A/D〕转换的根本原理12A/D转换技术的原理及性能比拟12.1积分型模数ADC12.2逐次逼近型ADC22.3并行转换ADC32.4∑-Δ型ADC52.5流水线型ADC63模数转换技术开展趋势展望84结束语8参考文献8英文翻译9致谢9模数转换技术的分析与比拟摘要：模数转换器是许多信息处理系统的关键组成局部，围绕着转换精度和转换速度两个方向开展，出现了多种结构的模数转换器，并各具特点。文章简要介绍了当前模数转换器的原理、结构、工作方式及其特点，对几种最为常用的模数转换技术加以分析比拟，指出了各自的优缺点。最后，展望了模数转换技术的开展前景。关键词：模数转换；转换速度；转换精度；分辨率引言随着计算机、通信和多媒体技术的飞速开展，全球高新技术领域数字化进程的不断推进，利用数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。模数转换器〔〕作为现实世界中模拟信号通向数字信号的桥梁，已经成为电子技术开展的关键和瓶颈所在。当前，为了适应计算机、通讯和多媒体技术的飞速开展以及高新技术领域的数字化进程不断加快，要求在工艺、结构、性能都要长足开展，因此研究模数转换技术有着重要的意义。1模数〔〕转换的根本原理转换的过程可分为四个阶段，即采样、保持、量化和编码。采样就是将一个连续变化的模拟信号转换成离散的信号。根据奈奎斯特定理，即。如果采样信号的频率大于或等于2倍的最高频率，那么可以从采样后的信号无失真地重建恢复原始信号。考虑到模数转换器件的非线性失真，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样频率一般取2.5倍到3倍的最高频率成分。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号。虽然逻辑上保持器是个独立的单元，但是，工程上保持器总是与采样器做在一起，二者合称采样/保持器。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号。量化的主要问题就是量化误差，假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，那么量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。进行到这里，也就完成了转换过程。这些过程通常是合并进行的。例如，采样和保持就经常利用一个电路连续完成，量化和编码也是在保持过程中实现的。2转换技术的原理及性能比拟目前，世界上的转换技术有很多，如传统的双积分型、逐次逼近型、并联比拟型等，也有近几年新开展的过采样∑-△型、流水线结构等，各种类型的转换技术都有各自的特点和适用的要求。2.1积分型模数积分型模数转换器又称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。以最典型的双斜率为例来讲其工作原理。它由1个带有输入切换开关的模拟积分器、1个比拟器、1个计数器、逻辑控制电路、基准电压源组成，如图1所示：它的根本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换与其平均值成正比的时间间隔，与此同时，在时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现模数转换。其转换过程可分为两个阶段：第一阶段为采样期，第二阶段为比拟期。通过两次积分和计数可以得到模拟信号的数字值，其中为计数器的位数，为输入电压在固定时间间隔内的平均值，为基准电压值。积分型用于低速，精密测量等领域。这种的分辨率可高达22位，而且完全能够抑制高频噪声。并且积分型的功耗较低，本钱较少。不过，这种的转换速率受到限制，转换精度随转换速率的增加而降低。2.2逐次逼近型逐次逼近型转换器是应用非常广泛的转换方式之一，它由1个比拟器、1个数模转换器、1个逐次逼近存放器〔〕和1个逻辑控制单元组成，如图2所示：转换中的逐次逼近是按对分原理，由控制逻辑电路完成的。其转换原理如下：启动转换后，控制逻辑电路首先把比拟存放器的最高位置1，其它位置为0，中的内容经转换器后得到约为满量程输出一半的电压值送入比拟器中与输入信号进行比拟。比拟的结果输出到，并在下一比拟前对最高位进行修正。接着，在逻辑控制电路时钟驱动下，中次高位置1，中的内容经转换器后的电压值再次送入比拟器中与输入信号进行比拟，并在下一次比拟前对次高位进行修正。就这样，在逻辑控制电路的时钟驱动下，逐次逼近存放器不断进行比拟和移位操作，直到完成最低有效位〔〕的转换。这时逐次逼近存放器的各位值均已确定，逐次逼近转换完成。逐次逼近型转换器速度较高，可达1。它的优点是原理简单，便于实现，不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。它的缺点在于如果要求分辨率〔＞14位〕的情况时，它的造价会较高。2.3并行转换并行转换又称为闪烁转换方式，是一种直接的模数转换方式。由于不用逐次比拟，它对位数据不是转换次，而是转换一次。这种转换器的结构原理图如图3所示：转换器内有一参考电压，模拟信号被同时加到个锁存比拟器。每个比拟器的参考电压由电阻网络构成的分压器引出，其参考电压比下一个比拟器的参考电压高一个最低有较位。当模拟信号输入时，凡参考电压比模拟信号低的那些比拟器均输出高电平〔逻辑1〕，反之输出低电平〔逻辑0〕。这样得到的数码称之为温度计码。该码被加到译码逻辑电路，然后送到二进制数据输出驱动器上的输出存放器。尽管闪烁型转换器具有极快的速度〔最高1的采样速率〕，但其分辨率受限于管芯尺寸、过大的输入电容以及数量巨大的比拟器所产生的功率消耗。结构重复的并行比拟器之间还要求精密地匹配，因此任何失配都会造成静态误差，如使输入失调电压〔或电流〕增大。闪烁型模数转换器还易产生离散的、不确定的输出，即所谓的“闪烁码”。闪烁码主要有两个来源：2-1个比拟器的亚稳态及温度计编码气泡；不匹配的比拟器延迟会使逻辑1变为逻辑0〔或反之〕，如同温度计中出现了一个气泡。由于模数转换器中的编码单元无法识别这种错误，经过编码后的输出同样会出现“闪烁”。闪烁型模数转换器的另外一个考虑因素是管芯尺寸。一个8位闪烁型转换器比同等位数的流水线模数转换器要大将近7倍。如果与流水线结构作进一步的比拟，闪烁型转换器的输入电容和功率消耗分别要高出6倍和2倍。2.4∑-Δ型∑-Δ型模数又称过采样转换器。这种转换器由∑-Δ调制器及连接及其后的数字滤波器构成。调制器的结构近似于双斜率模数转换器，包括1个积分器和1个比拟器，以及含有1个1位数模转换器的反应环。其结构原理图如图4所示：这种内置的模数转换器相当于一个开关，它将积分器输入切换到一个正或负的参考电压。∑-Δ型还包括一个时钟单元，为调制和数字滤波器提供适当的定时。窄带信号送入∑-Δ模数转换器后被以非常低的分辨率〔1位〕进行量化，但采样频率却非常高。经过数字滤波处理后，这种过采样被降低到一个比拟低的采样率；同时模数转换器的分辨率〔即动态范围〕被提高到16位或更高。最近几年，用于高分辨率模数转换的∑-Δ型模数颇为流行。它的一个突出优点就是在一片混合信号大规模电路上实现了与数字信号处理〔〕技术的结合，∑-Δ实际上是以最低的分辨率〔1位〕和相当高的采样速率实现模拟信号的数字化。它的其它优势有：价格低；高性能〔分辨率高达24位〕；集成化的数字滤波。但是它也有缺点，那就是当高转换时，需要高阶调制器；并且功耗比拟高。2.5流水线型受数字系统中新开展的流水工作方式的启发，近年来在高精度视频中提出了流水工作方式。流水线型又称为子区式，是一种更为高效和强大的转换器。它能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸〔意味着低价格〕；经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。流水线型的内部结构原理图如图5所示：它包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率〔位〕的和高分辨率〔位〕的，一个求和电路，其中求和电路中有可提供高增益的放大器。一个位分辨率的流水线的工作原理如下：首先电路的采样/保持器地输入信号采样后先由一个位分辨率的粗模数转换器对输入进行量化，接着用一个至少位精度的乘积型数模转换器〔〕产生一个对应于量化结果的模拟电平送至求和电路。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送交下一级电路处理。经过级这样的处理后，最后由一个较高精度的位精细模数转换器对剩余信号进行转换。将上述各级粗、细模数的输出组合起来构成高精度的位输出。为了便于纠正重叠误差，流水线各级电路都留有冗余位，即满足：其中，为级数〔制造商各有不同〕，为各级中模数转换器电路的粗分辨率。为精细模数转换器级的细分辨率，而就是流水模数转换器的总分辨率。流水线模数转换器中各级电路分别有自己的跟踪/保持电路，因此，当信号传递给次级电路后本级电路的跟踪/保持器就可释放出来处理下一次采样。这样就提高了整个电路的吞吐能力，一次采样可在一个时钟周期内完成。为了补偿不理想的边界效应，如温度漂移或乘积型数模转换器中电容的失配，局部流水模块转换器还配有校正单元。该单元通常用于流水线的多级〔并非所有〕电路中，利用两个校正码使乘积型数模转换器输出幅度等于VREF的跃变，任何与此跃变偏离的结果都会被测量到。各级转换器的误差被采集起来并存储到内部存储器中，正常工作时再将结果从RAM中取回并分别对流水线各环节的增益和乘积型数模转换器的电容失配进行补偿。流水线型具有以下优点：(1)每一线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性；〔2〕每一级具有各自独立的采样/保持放大器，前一级电路的采/保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进行处理；(3)更低的功率消耗(4)很少有比拟器进入亚稳态，从根本上消除了闪烁码温度计气泡，大大减少了的误差(5)更高的采样速度，价格更低，所需设计时间更少，难度更小；(6)多级转换提高了的分辨率。但是它也有一些缺点：(1)复杂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；(3)同步所有输出需要严格的锁存定时；(4)对工艺缺隐较敏感，会影响增益非线性、失调及其它参数；(5)与其它转换技术相比，对印制板布线更敏感,不当就会影响增益非线性、失调及其它参数。不过，随着电子技术的飞速的开展，合理的设计多层印刷版线路就能克服上述许多不利因素，外部元件的选择和选用适当型号的流水线型也能提高系统的性能。3模数转换技术开展趋势展望转换器是模拟系统与数字系统接口的关键部件，长期以来一直被广泛应用在雷达、通信、电子对抗、声纳、卫星、导弹、测控系统、地震、医疗、仪器仪表、图像和音频的领域。模数转换技术的主要开展趋势是，单片集成以硅为主导开展技术，并加速以硅为根底的异质结技术的开展；混合和模块集成和转换器是主导开展产品，其中16位100～200及8～10位10的性能转换器是新一代先进雷达、电子战和通讯电子系统的关键器件之一，它们是重点开展目标；目前已有工艺技术能满足目标产品的制作，如Ⅲ/Ⅴ化合物半导体异质结技术，其晶体管的频率已大于50；在工艺技术中，双极、、将并行开展，加工尺寸已开展到半亚微米和亚微米，将继续向深度开展。4结束语以上就是一些常见的转换技术。转换技术的开展日新月异，新型的转换技术层出不穷，其总的开展方向就是功耗低、高速度、高分辨率。所以，我们期待着有更新、更好的转换技术出现。参考文献[1]史艳惊.常见的几种转换技术的分析[J].淮南师范学院学报2005，〔3〕[2]阎石.数字电子技术根底〔第四版〕[M].北京高等教育出版社1998：479-500[3]钱进.几种模数转换技术的分析比拟[J].长江职工大学学报，2003年，〔2〕[4]曹鹏.模数变换器的几种典型结构及其应用[J].电讯技术，2003，〔3〕：13-16[5]徐继红.新型流水线原理及应用[J].电测与仪表，1997〔7〕[6]徐继红.揭开∑-△模数转换器的神秘面纱[J].单片机与嵌入式系统应用，2001〔10〕[7]杨志忠.数字电子技术[M].北京：高等教育出版社，2001[8]张建华.数字电子技术〔第2版〕[M].北京：机械工业出版社，2000英文翻译TheA/DconversiontechnologyanalysisandcomparesDepartmentofElectronics0403StudentYanwenshanTutorWangaizhenAbstract:Theconvertoristhecrucialpartofmanyinformationprocessingsystem,focusonthetransformationprecisionandtheconversionrate,appearingdifferentkindsofstructureandofdifferentfeatures.Thethesisgaveusabriefintroductionofcurrentconvertor’sprinciple,str