14位Single―slopeADC行為級建模與仿真

1、摘要：單斜率型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器以其簡單的結(jié)構(gòu)、較高的分辨率和易于集成的優(yōu)勢，在紅外焦平面讀生電路設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。基于Matlab軟件環(huán)境下的Simulink工具，建立了一個14位Single?slopeADC的系統(tǒng)模型。具充分討論Simulink工具下電路各單元模塊的具體實現(xiàn)和信號間的時序關(guān)系，給由電路的行為級仿真結(jié)果，為Single?slopeADC的集成電路設(shè)計與實現(xiàn)提供參考。關(guān)鍵詞：單斜模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；行為級建模；紅外焦平面；Simulink；集成電路設(shè)計；功能仿真中？D分類號：TN492?34文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004?373X(2018)16?0104?04Abstract：Ast

2、hesingle?slopeADChastheadvantagesofsimplestructure,highresolution,andeasyintegration,ithasbeenwidelyusedinthedesignoftheinfraredfocalplaneread?outcircuit.BasedontheSimulinktoolintheMatlabsoftwareenvironment，a14?bitsingle?slopeADCsystemmodelisbuilt.ThespecificimplementationutilizingtheSimulinktoolfor

3、eachunitmoduleofthecircuitandthetimesequencerelationshipamongsignalsarefullydiscussed.Thebehavioralsimulationresultsofthecircuitaregiven,whichprovidesareferenceforthedesignandimplementationofthesingle?slopeADCintegratedcircuit.Keywords:Single?slopeADC;behavioralmodeling;infraredfocalplane;Simulink；i

4、ntegratedcircuitdesign；functionalsimulation0弓I言紅外焦平面成像系統(tǒng)在軍事、醫(yī)療掃描、空間探測、環(huán)境監(jiān)控以及民用消費(fèi)電子方面有著廣泛的應(yīng)用1O紅外探測器是紅外焦平面成像系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，其一般由探測器陣列和讀生集成電路(ReadoutIntegratedCircuit,ROIC)兩部分組成。為了便于系統(tǒng)后續(xù)數(shù)字化處理，集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog?to?DigitalConverter,ADC)模塊的ROIC電路，實現(xiàn)了數(shù)字化讀生取代模擬讀生鏈，成為人們研究的熱點(diǎn)之一2。隨著半導(dǎo)體工藝的提升和集成電路設(shè)計技術(shù)的進(jìn)步，ADC一直朝著高精度、低功耗和

5、高速的方向發(fā)展3?5。在全并行結(jié)構(gòu)(FLASH)、分級型結(jié)構(gòu)(Subranging)、流水線結(jié)構(gòu)(Pipeline)和逐次逼近型結(jié)構(gòu)(SuccessiveApproximationRegister,SAR)等多種不同結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方式的ADC中，Single?slopeADC以其較高的分辨率和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，非常適用于紅外焦平面讀生電路。本文在深入掌握傳統(tǒng)Single?slopeADC工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合紅外焦平面陣列的讀生電路特點(diǎn)，提由一種改進(jìn)的Single?slopeADC架構(gòu)。借助Matlab環(huán)境下的Simulink工具,完成一個14位Single?slopeADC電路的行為級建模，并進(jìn)行

6、仿真分析，驗證了改進(jìn)架構(gòu)的可行性。1電路工作原理一個典型的Single?slopeADC電路系統(tǒng)框圖如圖1a）所示，由圖可見，該電路包含了一個斜坡發(fā)生器、一個時間間隔計數(shù)器、一個比較器、一個與門和一個產(chǎn)生輸生碼字的計數(shù)器6。轉(zhuǎn)換周期開始時，模擬輸入信號輸入到比較器正相端，計數(shù)器被復(fù)位；時鐘信號一方面作用于時間間隔計數(shù)器，觸發(fā)斜坡發(fā)生器產(chǎn)生輸由信號到比較器的反相端，另一方面作用于與門，控制信號輸由；比較器的輸生結(jié)果與時鐘信號經(jīng)與門后作為輸由計數(shù)器的時鐘信號，觸發(fā)該計數(shù)器計數(shù)并輸由當(dāng)前模擬量的轉(zhuǎn)換結(jié)果。該圖中，當(dāng)斜坡發(fā)生器的信號小于模擬輸入信號時，比較器輸由高電位，與時鐘脈沖相與后觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)；

7、隨著斜坡信號的上升，當(dāng)斜坡信號大于模擬輸入信號時，比較器輸由低電位，與門輸由保持為低電位，計數(shù)器停止計數(shù)，輸由當(dāng)前的轉(zhuǎn)換值。可見，Single?slopeADC是一種串行ADC,僅適用于紅外焦平面系統(tǒng)的單通道ADC轉(zhuǎn)換需求7。在紅外焦平面陣列中，若仍采用這種傳統(tǒng)Single?slopeADC架構(gòu)，那么，隨著通道數(shù)量的增加，讀由電路的面積也增加，降低了系統(tǒng)的集成度。因此，本文提由一種如圖1b）所示的改進(jìn)型Single?slopeADC架構(gòu)。在該架構(gòu)中，輸入通道增加了一個采樣保持模塊，但多個通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換可以共用一個計數(shù)器，從而有效減小電路面積，降低功耗，提高集成度。由圖1b）可見，本文設(shè)計的S

8、ingle?slopeADC電路包括采樣保持電路、斜坡發(fā)生器電路、比較器電路、鎖存器電路和計數(shù)器電路。首先，輸入的模擬信號經(jīng)采樣保持電路后送到比較器的同相端，斜坡發(fā)生器的輸生信號被送到比較器的反相端。接著，比較器對輸入的兩路信號進(jìn)行比較，當(dāng)輸入的模擬信號大于等于斜坡發(fā)生器的輸由信號時，比較器輸由高電平；當(dāng)輸入的模擬信號小于斜坡發(fā)生器的輸生信號時，比較器輸由低電平。然后，比較器的輸由信號被作為鎖存器的鎖存控制信號，不斷進(jìn)行周期計數(shù)的計數(shù)器輸由作為鎖存器的鎖存輸入信號。當(dāng)輸入模擬信號小于斜坡發(fā)生器的輸由信號，比較器輸由低電平時，鎖存器停止鎖存，并輸由此時的計數(shù)器狀態(tài)，從而實現(xiàn)模擬電平到數(shù)字電平的轉(zhuǎn)

9、換。2改進(jìn)架構(gòu)的Single?slopeADC行為建模根據(jù)圖1b）所示的Single?slopeADC系統(tǒng)框圖，在Matlab軟件環(huán)境下的Simulink工具中搭建一個14位Single?slopeADC系統(tǒng)模型的過程與分析如下。2.1 采樣保持模塊采樣保持電路用以確保Single?slopeADC在轉(zhuǎn)換期間保持輸入信號不變，以供后續(xù)電路進(jìn)行量化處理。結(jié)合計數(shù)器清零的要求，采樣保持電路時鐘CLK1與系統(tǒng)時鐘CLK2的周期？P系如下：2.2 斜坡發(fā)生器模塊斜坡發(fā)生器是Single?slopeADC的關(guān)鍵模塊之一8,利用Simulink中RepeatingSequence模塊可產(chǎn)生一個線性的斜坡信

10、號。該斜坡信號的取值范圍必須與輸入的模擬信號幅值變化范圍一致。本文取模擬輸入的范圍為：01V,所以斜坡發(fā)生器的信號輸由范圍也為：。1Vo止匕外，斜坡信號產(chǎn)生的時間周期和采樣時間周期相同，即0.16385ms。因此，Matlab中RepeatingSequence模塊參數(shù)設(shè)置如圖2所示。2.3 比較器模塊比較器用來比較采樣保持后輸由電壓和斜坡發(fā)生器輸由電壓：當(dāng)采樣保持電路的輸由電壓大于等于斜坡發(fā)生器的輸由電壓時，比較器的輸由為高電位；當(dāng)采樣保持電路的輸由電壓小于斜坡發(fā)生器的輸由電壓時，比較器的輸生為低電位9。2.4 計數(shù)器模塊計數(shù)器不斷地進(jìn)行周期性計數(shù)的同時還為鎖存器提供觸發(fā)鎖存信號。在設(shè)計仿真

11、中，為了保證被量化的模擬輸入電平能夠得到相對應(yīng)的二進(jìn)制碼，產(chǎn)生斜坡信號的時間周期和計數(shù)器計數(shù)的時間周期相同10o按照量化單位與輸入模擬量的關(guān)系：?=12nVin,當(dāng)轉(zhuǎn)換位數(shù)n為14,模擬輸入電壓Vin為01V時，?=1214V。于是得到量化模擬輸入電平與二進(jìn)制碼的關(guān)系見表1。利用Simulink中帶有清零功能的D觸發(fā)器，可實現(xiàn)n位同步計數(shù)器。圖3為使用14個D觸發(fā)器的模214同步計數(shù)器行為級模型示意圖，其中，CLK是計數(shù)器的時鐘輸入信號，CLR是清零信號，out0out13為計數(shù)器的數(shù)字輸由。2.5 鎖存器模塊鎖存器電路是連接模擬輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字輸由的橋梁。利用Simulink中帶有觸發(fā)功能的D

12、鎖存器，搭建了14位鎖存器行為級模型，實現(xiàn)同步鎖存的功能。圖4給由14位鎖存器的行為級建模示意圖。其中：輸入端C連接比較器的輸由，進(jìn)行高有效鎖存；輸入端D接計數(shù)器模塊的輸由端為out0out13;Q0Q13為鎖存后的數(shù)字輸由。比較器輸由高電位時，鎖存器對當(dāng)前時刻的數(shù)值狀態(tài)進(jìn)行鎖存并輸由；當(dāng)比較器翻轉(zhuǎn)輸由為低電位時，鎖存器鎖存的輸由值始終保持在翻轉(zhuǎn)時刻的數(shù)字狀態(tài)，直到下個時刻當(dāng)比較器輸生為高電位時再進(jìn)行高有效位的鎖存。3Single?slopeADC的行為級功能仿真利用Simulink工具，本文還搭建了一個14位D/A轉(zhuǎn)換電路，用來檢驗在相同時刻下，數(shù)字輸由再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路后的輸曲波形與采樣

13、保持的輸曲波形是否一致。設(shè)輸入信號的周期為6.554ms,采樣保持電路的周期為0.16385ms,仿真時間為10ms。模擬輸入信號經(jīng)采樣保持后的輸曲波形與數(shù)字輸由經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路的輸曲波形如圖5所示，可以看出,相同時刻下，數(shù)字輸由再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后的波形和采樣保持后輸生的波形一致。比較器的輸由如圖6所示，可以看由采樣保持的電位越高，比較器高電位保持的時間越長，反之越短。當(dāng)輸入為0.5V時，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換電路得到的輸生波形如圖7所示，此時的模擬值為0.5V,對應(yīng)的數(shù)字量為8192,鎖存器的輸由值為：10000000000000。與表1中給由的量化模擬輸入電平與二進(jìn)制碼所對應(yīng)關(guān)系100000000

14、00000一致。4結(jié)語針對傳統(tǒng)Single?slopeADC架構(gòu)在紅外焦平面陣列的讀由集成電路應(yīng)用中的不足，提由一種改進(jìn)的Single?slopeADC架構(gòu)。利用Matlab環(huán)境下的Simulink工具，建立了改進(jìn)型Single?slopeADC的行為級仿真模型，并進(jìn)行了仿真驗證分析。仿真結(jié)果表明，本文提由的改進(jìn)方案切實可行，為集成電路的晶體管級設(shè)計提供了有效參考。參考文獻(xiàn)1劉鵬云.非制冷紅外焦平面陣列讀生電路設(shè)計研究D.北京：北京理工大學(xué)，2015.LIUPengyun.Researchanddesignofread?outcircuitforuncooledinfraredfocalpla

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