信號(hào)采樣理論與模數(shù)前端技術(shù)

1、第第2 2講講 信號(hào)采樣理論與信號(hào)采樣理論與模數(shù)前端技術(shù)模數(shù)前端技術(shù) 電子科技大學(xué)：王電子科技大學(xué)：王 洪洪主要內(nèi)容v2.1 概述概述 v2.2 低通和帶通采樣定理低通和帶通采樣定理v2.3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)v2.4 并行采集技術(shù)并行采集技術(shù)v2.5 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)2.1 2.1 概述概述 A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電阻、電流、時(shí)間等參量，但在個(gè)模擬量泛指電壓、電阻、電流、時(shí)間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。一般情況下，模擬量是指電壓而言的。采樣、保持、量化和編碼采樣、保持、量化和編碼 。 A

2、/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量能代表原有的模擬信息嗎？有沒有信息的丟失？轉(zhuǎn)換的數(shù)字量能代表原有的模擬信息嗎？有沒有信息的丟失？D/A轉(zhuǎn)換的模擬量能表達(dá)出原有數(shù)字量中的信息嗎？轉(zhuǎn)換的模擬量能表達(dá)出原有數(shù)字量中的信息嗎？傳感器傳感器(溫度、壓力、流溫度、壓力、流量等量等模擬量模擬量）A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)（數(shù)字量）（數(shù)字量）顯示器顯示器D/A執(zhí)行部件執(zhí)行部件（模擬量控制）（模擬量控制）打印機(jī)打印機(jī)能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器或換器或ADCADC。能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器

3、，簡稱模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/AD/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器或換器或DACDAC。 ADC ADC和和DACDAC是溝通模擬電路和數(shù)字電是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口. .ADCADC和和DACDAC的應(yīng)用：的應(yīng)用：1. 低通抽樣定理：低通抽樣定理：設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號(hào)設(shè)有一個(gè)頻率帶限信號(hào) x(t)，其頻帶限制，其頻帶限制在在 ( 0, fh ) 之間，如果以不小于之間，如果以不小于fs2fh 的采樣速率對(duì)的采樣速率對(duì) x(t) 進(jìn)行等間隔采樣，得到時(shí)間離散的采樣信號(hào)進(jìn)行等間隔采樣，得到時(shí)間離散的采樣信號(hào) x(n) x(nTs) （其中（其中Ts1/fs

4、稱為采樣間隔）稱為采樣間隔）,則原信號(hào)則原信號(hào) x(t) 將被所得的將被所得的采樣值采樣值 x(n) 完全地確定完全地確定 (定理的實(shí)質(zhì)與目的定理的實(shí)質(zhì)與目的)2.2 低通和帶通采樣定理低通和帶通采樣定理x(t) 0 t 0 t T(t) t 0 yS(t) 0 -H H 0 -S -2S S 2S T() X() YS() 0 -S -2S S 2S x(t) yS(t) T(t) 圖2.3信號(hào)恢復(fù)過程示意圖0fLfHfX(）-fL-fH0fLfHfYS(）-fL-fH(K-1)fSfS(a) 帶通信號(hào)(b) 帶通采樣-fL+(K-1)fS-fH+KfS2. 帶通抽樣定理：帶通抽樣定理：要使

5、采樣后頻譜不發(fā)生混疊，必須滿足下式：要使采樣后頻譜不發(fā)生混疊，必須滿足下式： HSHLSLfKffffKf) 1(v帶通采樣定理：設(shè)一個(gè)頻率帶限信號(hào)帶通采樣定理：設(shè)一個(gè)頻率帶限信號(hào) x(t)，如果，如果其采樣速率其采樣速率fs 滿足：滿足： 式中，式中，n 取能滿足取能滿足fs = 2(f H - f L) =2B 的最大的最大整數(shù)整數(shù) (0, 1, 2, ) ，則用，則用fs 進(jìn)行等間隔采樣所得進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號(hào)采樣值到的信號(hào)采樣值 x(nTs) 能準(zhǔn)確的確定原信號(hào)能準(zhǔn)確的確定原信號(hào)x(t)。12412)(2fSnfnffoHL注意：注意： 1） 上述采樣定理的適用前提條件是：只允許

6、在上述采樣定理的適用前提條件是：只允許在其中的一個(gè)頻帶上存在信號(hào)，而不允許在不同其中的一個(gè)頻帶上存在信號(hào)，而不允許在不同的頻帶上同時(shí)存在信號(hào)，否則將引起混疊。的頻帶上同時(shí)存在信號(hào)，否則將引起混疊。 2） 為了能使用最低采樣速率即：為了能使用最低采樣速率即：f S = 2B ，帶通，帶通信號(hào)的中心頻率必須滿足信號(hào)的中心頻率必須滿足 即信號(hào)的最高頻率加上最低頻率是帶寬的即信號(hào)的最高頻率加上最低頻率是帶寬的整數(shù)倍。整數(shù)倍。BnffBnfHL)12(2120或或3） 帶通采樣的結(jié)果是把位于帶通采樣的結(jié)果是把位于 ( nB, (n+1)B ) ( n=0, 1, 2 . ) 不同頻帶上的信號(hào)，都挪位于不

7、同頻帶上的信號(hào)，都挪位于 (0, B) 上相同的基帶信號(hào)頻譜來表示，但是當(dāng)上相同的基帶信號(hào)頻譜來表示，但是當(dāng) n 為奇為奇數(shù)時(shí)，其頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系是相對(duì)于中心頻率數(shù)時(shí)，其頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系是相對(duì)于中心頻率“反折反折”的，即奇數(shù)通帶上的高頻分量對(duì)應(yīng)基帶上的低頻的，即奇數(shù)通帶上的高頻分量對(duì)應(yīng)基帶上的低頻分量，奇數(shù)通帶上的低頻分量對(duì)應(yīng)基帶上的高頻分量，奇數(shù)通帶上的低頻分量對(duì)應(yīng)基帶上的高頻分量。分量。)( fXf000f01f02fBB2B3帶通信號(hào)采樣的頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系帶通信號(hào)采樣的頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系濾波濾波A/DDSP（軟件）（軟件）f S2SfB Sfnf4)12(0理想帶通采樣模型理想帶通采樣模型3.采樣定理在數(shù)

8、字中頻系統(tǒng)中的應(yīng)用采樣定理在數(shù)字中頻系統(tǒng)中的應(yīng)用（1）窄帶中頻采樣數(shù)字化）窄帶中頻采樣數(shù)字化v理想能成為現(xiàn)實(shí)嗎？ 1）由帶通采樣定理知：當(dāng)采樣速率fs固定的時(shí)候，該模型所能處理的信號(hào)的中心頻率只 有有限的幾個(gè)，即： 2）該模型要求 A/D 前面的抗混疊濾波器在整個(gè)頻帶上保持相同的濾波器帶寬和阻帶特性，這幾乎是不可能做到的。）0,1,2(n 4)12(0Sfnfv問題的解決超外差接收體制濾波濾波放大放大A/DDSP（軟件）（軟件）本振本振fLfSfi2SSfBBSfnf4) 12(0 該模型先用一個(gè)本振信號(hào)與被數(shù)字化的輸該模型先用一個(gè)本振信號(hào)與被數(shù)字化的輸入信號(hào)進(jìn)行混頻，將其變換為統(tǒng)一的中頻信號(hào)

9、，入信號(hào)進(jìn)行混頻，將其變換為統(tǒng)一的中頻信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)字化。然后進(jìn)行數(shù)字化。 這樣，這樣，A/D之前的信號(hào)的中心頻率是固定不之前的信號(hào)的中心頻率是固定不變的，如果變的，如果 fo 取值恰當(dāng)，則取值恰當(dāng)，則A/D前的抗混疊濾前的抗混疊濾波器就會(huì)容易的多。波器就會(huì)容易的多。(2) 寬帶中頻采樣數(shù)字化濾波濾波濾波濾波濾波濾波A/DDSPfL1:9601430MHz 步進(jìn)步進(jìn) 100MHzfL2:1080MHzfS:120MHz30500MHzf0:930MHzB:50MHzf0:150MHzB:50MHz一個(gè)可供實(shí)用的寬帶中頻數(shù)字化接一個(gè)可供實(shí)用的寬帶中頻數(shù)字化接收機(jī)組成框圖收機(jī)組成框圖濾波濾波濾波

10、濾波濾波濾波A/DDSPfL1:9601430MHz 步進(jìn)步進(jìn) 100MHzfL2:1080MHzfS:120MHz30500MHzf0:930MHzB:50MHzf0:150MHzB:50MHz濾波濾波濾波濾波濾波濾波A/DDSPfL1:9601430MHz 步進(jìn)步進(jìn) 100MHzfL2:1080MHzfS:120MHz30500MHzf0:930MHzB:50MHzf0:150MHzB:50MHz濾波濾波濾波濾波濾波濾波A/DDSPfL1:9601430MHz 步進(jìn)步進(jìn) 100MHzfL2:1080MHzfS:120MHz30500MHzf0:930MHzB:50MHzf0:150MHzB

11、:50MHz濾波濾波濾波濾波濾波濾波 Bs（信號(hào)帶寬），中頻帶寬（信號(hào)帶寬），中頻帶寬內(nèi)包含有多個(gè)信道，至于對(duì)帶寬內(nèi)包含有多個(gè)信道，至于對(duì)帶寬B內(nèi)位于某一特內(nèi)位于某一特定信道上的信號(hào)所需進(jìn)行的解調(diào)、分析、識(shí)別等定信道上的信號(hào)所需進(jìn)行的解調(diào)、分析、識(shí)別等處理，將由后續(xù)的信號(hào)處理器及軟件來完成。處理，將由后續(xù)的信號(hào)處理器及軟件來完成。 2） 通過加載不同的信號(hào)處理軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不通過加載不同的信號(hào)處理軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同體制，不同帶寬以及不同種類的信號(hào)的接收解同體制，不同帶寬以及不同種類的信號(hào)的接收解調(diào)以及其他處理任務(wù)，這樣對(duì)信號(hào)的環(huán)境的適應(yīng)調(diào)以及其他處理任務(wù)，這樣對(duì)信號(hào)的環(huán)境的適應(yīng)性以及可擴(kuò)展能力

12、就大大提高了。性以及可擴(kuò)展能力就大大提高了。 3） 由于中頻帶寬增加了，本振信號(hào)就可以按照由于中頻帶寬增加了，本振信號(hào)就可以按照大步進(jìn)來設(shè)計(jì)，這樣可以大大簡化本振源的設(shè)計(jì)，大步進(jìn)來設(shè)計(jì)，這樣可以大大簡化本振源的設(shè)計(jì)，有利于減小體積，改善性能，降低成本。有利于減小體積，改善性能，降低成本。(3) 射頻直接帶通采樣原理跟蹤濾波跟蹤濾波放大放大A/DDSP（軟件）（軟件）音頻音頻視頻視頻采樣脈沖源（采樣脈沖源（DDS）射頻直接采樣軟件無線電接收體制射頻直接采樣軟件無線電接收體制v主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： 1）以上模型通常用于單獨(dú)對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行接收）以上模型通常用于單獨(dú)對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)的時(shí)候。解調(diào)的

13、時(shí)候。 2）天線與）天線與A/D之間比較接近，只有跟蹤濾波器之間比較接近，只有跟蹤濾波器和放大器。如果和放大器。如果A/D靈敏度足夠高，連放大器都靈敏度足夠高，連放大器都可以不要。因此這種結(jié)構(gòu)和理想化的軟件無線電可以不要。因此這種結(jié)構(gòu)和理想化的軟件無線電是比較接近的。是比較接近的。 3）存在）存在“盲區(qū)盲區(qū)”-完美只是一種理想完美只是一種理想在采樣前和采樣后一般需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波：在采樣前和采樣后一般需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波：v 在采樣前濾波：保證只對(duì)感興趣的信號(hào)進(jìn)行采樣，在采樣前濾波：保證只對(duì)感興趣的信號(hào)進(jìn)行采樣，濾出其他信號(hào)、干擾信號(hào)和噪聲，保證信號(hào)噪聲濾出其他信號(hào)、干擾信號(hào)和噪聲，保證信號(hào)噪聲

14、比。比。v在采樣后濾波：對(duì)于寬帶信號(hào)的單個(gè)信道進(jìn)行分在采樣后濾波：對(duì)于寬帶信號(hào)的單個(gè)信道進(jìn)行分析時(shí)，必須首先拾取該信道的信號(hào)，就需要濾波析時(shí)，必須首先拾取該信道的信號(hào)，就需要濾波處理。處理。如何設(shè)計(jì)濾波器？濾波器對(duì)如何設(shè)計(jì)濾波器？濾波器對(duì)信號(hào)是否造成損失？如何對(duì)信號(hào)是否造成損失？如何對(duì)待過渡帶信號(hào)？待過渡帶信號(hào)？過渡帶過渡帶(4) 采樣的盲區(qū)采樣的盲區(qū) 在現(xiàn)實(shí)中，理想的濾波器（矩形系數(shù)為在現(xiàn)實(shí)中，理想的濾波器（矩形系數(shù)為1，帶，帶寬為寬為fs / 2）是做不到的，在現(xiàn)實(shí)中能實(shí)現(xiàn)的濾波）是做不到的，在現(xiàn)實(shí)中能實(shí)現(xiàn)的濾波器（上圖）存在器（上圖）存在“盲區(qū)盲區(qū)”（陰影部分）。當(dāng)信號(hào)（陰影部分）。當(dāng)信

15、號(hào)落在落在“盲區(qū)盲區(qū)”里面時(shí)，將被濾波器濾除，而無法里面時(shí)，將被濾波器濾除，而無法對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采樣數(shù)字化（至少降低信號(hào)采樣對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采樣數(shù)字化（至少降低信號(hào)采樣靈敏度）。靈敏度）。)( fH00f01f02ff2Sf能實(shí)現(xiàn)的濾波器能實(shí)現(xiàn)的濾波器v解決方法： 對(duì)這些“盲區(qū)”通過選擇適合的采樣頻率進(jìn)行“異頻”或“異速率”采樣。（見下圖）)( fHf00f01f)( fH00f01f02ff2Sfv根據(jù)帶通采樣定理，為了對(duì)中心頻率為fom的這一“盲區(qū)”頻帶進(jìn)行采樣數(shù)字化，所要求的采樣速率為： （1）v易知“盲區(qū)”中心頻率為： （2）v將式2代入式1，可得： （3）)0,1,2(m 2) 1(

16、Somfmf)0,1,2(n 124omsmfnfSsmfnmf12)22(v在式3中，m取不同的值對(duì)應(yīng)不同的“盲區(qū)”，而n的選取應(yīng)盡量使 fsm 靠近 fs（但小于fs），以減小采樣振蕩器的頻率設(shè)置范圍。所以可以取n m1，這時(shí)有： “盲區(qū)”采樣頻率確定后，并不意味著就能實(shí)現(xiàn)無“盲區(qū)”采樣，還必須對(duì)濾波器的特性（矩形系數(shù)r）提出一定要求，否則采樣“盲區(qū)”可能仍然無法消除。SSsmfnfmf)1211 ()3211 ()( fHf0B0BmB2Sf2SmfsosmfrrBfB212/v下面給出“盲區(qū)”采樣的濾波矩形系數(shù) rm 與主采樣的濾波矩形系數(shù) r 的關(guān)系：1)1211 (12/rrnff

17、rrBfrssmmsmm A/D A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過程通過轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化和編碼取樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟完成。四個(gè)步驟完成。 采樣保持量化編碼VIDO模擬量輸入模擬量輸入數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出一、一、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理轉(zhuǎn)換器的基本工作原理2.3 A/D2.3 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù) 取樣（也稱采樣）是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，取樣（也稱采樣）是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為時(shí)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的

18、幅度取決于輸入模擬量。等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。1.1.取樣和保持取樣和保持 取樣過程取樣過程 采樣脈沖采樣脈沖 輸輸入入模模擬擬信信號(hào)號(hào) 采采樣樣輸輸出出信信號(hào)號(hào) maxf2fs 模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖樣值脈沖。采樣脈沖寬度。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時(shí)保持一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加后須加保持電路保持電路。在采樣脈沖在采樣脈沖S(tS(t) )到來的時(shí)間到來的時(shí)間內(nèi)

19、，內(nèi)，VTVT導(dǎo)通，導(dǎo)通，U UI I( (t t) )向電容向電容C C充電，假充電，假定充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于定充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于，則有：則有：U UO O(t)(t)U US S(t)(t)U UI I(t)(t)。采樣采樣采樣結(jié)束，采樣結(jié)束，VTVT截止，而電容截止，而電容C C上電壓保持充電電壓上電壓保持充電電壓U UI I(t)(t)不變，直到不變，直到下一個(gè)采樣脈沖到來為止。下一個(gè)采樣脈沖到來為止。保持保持 場效應(yīng)管場效應(yīng)管VTVT為為采樣門采樣門，電容，電容C C為為保持電容保持電容，運(yùn)算放大器為，運(yùn)算放大器為跟跟隨器隨器，起緩沖，起緩沖隔離隔離作用。作用。取樣保持電路及輸出波形取

20、樣保持電路及輸出波形 輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波階梯波。而該階。而該階梯波仍是一個(gè)可以連續(xù)取值的模擬量，但梯波仍是一個(gè)可以連續(xù)取值的模擬量，但n n位數(shù)字量只能表示位數(shù)字量只能表示2 2n n個(gè)數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時(shí)就有一個(gè)類個(gè)數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時(shí)就有一個(gè)類似于似于四舍五入的近似問題四舍五入的近似問題。2.2.量化和編碼量化和編碼 將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個(gè)過將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個(gè)過程稱為程稱為量化量化。指定的離散電平稱為。指定的離散電平稱為

21、量化電平量化電平U Uq q 。用二進(jìn)制數(shù)碼。用二進(jìn)制數(shù)碼來表示各個(gè)量化電平的過程稱為來表示各個(gè)量化電平的過程稱為編碼編碼。兩個(gè)量化電平之間的差值。兩個(gè)量化電平之間的差值稱為稱為量化單位量化單位，位數(shù)越多，量化等級(jí)越細(xì)，位數(shù)越多，量化等級(jí)越細(xì)，就越小。取樣保就越小。取樣保持后未量化的持后未量化的U Uo o值與量化電平值與量化電平U Uq q值通常是不相等的，其差值稱為值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差量化誤差，即，即= =U Uo o- -U Uq q。量化的方法：量化的方法：只舍不入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。1)1)只舍不入法只舍不入法 當(dāng)當(dāng)U Uo o的尾數(shù)的尾數(shù)時(shí)，時(shí)，舍

22、尾取整。舍尾取整。這種方法這種方法總總為正值，為正值，maxmax 。 2)2)有舍有入法有舍有入法 當(dāng)當(dāng)U Uo o的尾數(shù)的尾數(shù)/2/2時(shí)，舍時(shí)，舍尾取整；當(dāng)尾取整；當(dāng)U Uo o的尾數(shù)的尾數(shù)/2/2時(shí)，時(shí)，舍尾入整。舍尾入整。這種方法這種方法可正可可正可負(fù)，但是負(fù)，但是| | maxmax|= |= /2/2?？梢?，?？梢?，它的誤差要小。它的誤差要小。 量化特性及量化誤差量化特性及量化誤差 QBVbbbaaaVVnnrnnnnnnrn)2/)(222()222(0022112211)2/)(2/1 ()2/)(2/1 (nrninrnVVVVV 一般而言，一般而言，n位位ADC的理想傳輸函

23、數(shù)由以的理想傳輸函數(shù)由以下兩個(gè)式子定義：下兩個(gè)式子定義： 圖圖2.16 理想理想ADC的傳輸特性和量化誤差的傳輸特性和量化誤差 二、二、ADC的分類的分類 A/DA/D轉(zhuǎn)換器有轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法直接轉(zhuǎn)換法和和間接轉(zhuǎn)換法間接轉(zhuǎn)換法兩大類。兩大類。 直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較比較，從，從而而直接直接將模擬量將模擬量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度高工作速度高，轉(zhuǎn)換精，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接直接A/DA/D轉(zhuǎn)換器有計(jì)數(shù)型、逐次轉(zhuǎn)換器有計(jì)數(shù)型、逐次比較型、并行比較型比較型、并行

24、比較型等。等。 間接法是將取樣后的模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換成間接法是將取樣后的模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換成中間變量中間變量時(shí)間時(shí)間t t或頻或頻率率f f, , 然后再將然后再將t t或或f f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低工作速度較低，但，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。，且抗干擾性強(qiáng)。間接間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器有單次轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型積分型、雙積分型等。等。圖圖2.19 逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理 1. 1. 比較型比較型ADCADC轉(zhuǎn)換開始前先將逐次逼近寄存器轉(zhuǎn)換開始前先將逐次逼近寄存器SARSAR清清“0”0”；開始轉(zhuǎn)換以后，第一個(gè)

25、時(shí)鐘脈沖首先將寄存器開始轉(zhuǎn)換以后，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成最高位置成1 1，使輸出數(shù)字為使輸出數(shù)字為10001000。這個(gè)數(shù)碼被。這個(gè)數(shù)碼被D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓擬電壓u uo o，經(jīng)偏移，經(jīng)偏移/2/2后得到后得到u uO Ou uO O/2/2，并送到比較器中，并送到比較器中與與u uI I進(jìn)行比較。進(jìn)行比較。若若u uI Iu uo o，說明數(shù)字過大，故將最高位的，說明數(shù)字過大，故將最高位的1 1清清除置零；若除置零；若u uI Iu uo o，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，按同樣的方法將次高位

26、置成然后，按同樣的方法將次高位置成1 1，并且經(jīng)過比較以后確，并且經(jīng)過比較以后確定這個(gè)定這個(gè)1 1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，為止。比較完畢后，SARSAR中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的工作原理：轉(zhuǎn)換器的工作原理： 四位四位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器QQQQFF1FF0FF2FF3S RS RS RS R111&Q0Q1Q2Q3Q4五位順序脈沖發(fā)生器五位順序脈沖發(fā)生器CP時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖&d1d0d2d3EUOUI電壓比較器電壓比較

27、器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器d0d1d2d3控制邏輯門控制邏輯門2. 積分型積分型ADC 雙積分型雙積分型ADCADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓U UI I轉(zhuǎn)換成與其大轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時(shí)間間隔小成正比的時(shí)間間隔T T，再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過計(jì)數(shù)器將，再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過計(jì)數(shù)器將T T變變換成數(shù)字量。換成數(shù)字量。 這種這種A/DA/D轉(zhuǎn)換器具有很多轉(zhuǎn)換器具有很多優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)。首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間。首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)常數(shù)RCRC無關(guān)，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，無關(guān)，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變化，而不影響

28、轉(zhuǎn)換結(jié)果。允許積分電容在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。其次，由于輸入信號(hào)積分的時(shí)間較長，且是一個(gè)固定值其次，由于輸入信號(hào)積分的時(shí)間較長，且是一個(gè)固定值T T1 1，而而T T2 2正比于輸入信號(hào)在正比于輸入信號(hào)在T T1 1內(nèi)的平均值，這對(duì)于疊加在輸入信號(hào)內(nèi)的平均值，這對(duì)于疊加在輸入信號(hào)上的干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。最后，這種上的干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。最后，這種A/DA/D轉(zhuǎn)換器不必轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，它只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，它只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期（T T1 1+ +T T2 2）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換

29、器被廣泛應(yīng)用于要求精應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中。 3. -型型ADC-A/D-A/D變換器的基本思想是用數(shù)字化速度來換取變換器的基本思想是用數(shù)字化速度來換取位數(shù)位數(shù), , 即采用高速、低位數(shù)的即采用高速、低位數(shù)的ADCADC來實(shí)現(xiàn)低速、高來實(shí)現(xiàn)低速、高位數(shù)的位數(shù)的ADCADC，由于采用了過采樣技術(shù)和，由于采用了過采樣技術(shù)和-調(diào)制技調(diào)制技術(shù)，增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電術(shù)，增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電路的比例，并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片集成，因路的比例，并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片集成，因而能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高精度的而能夠

30、以較低的成本實(shí)現(xiàn)高精度的A/D變換器，適變換器，適應(yīng)了應(yīng)了VLSI技術(shù)發(fā)展的要求。技術(shù)發(fā)展的要求。 特點(diǎn)：過采樣結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器。過采樣特點(diǎn)：過采樣結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器。過采樣結(jié)構(gòu)在較寬的頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展噪聲功率。調(diào)節(jié)器形結(jié)構(gòu)在較寬的頻率范圍內(nèi)擴(kuò)展噪聲功率。調(diào)節(jié)器形成低頻噪聲或?qū)⑵渫频礁哳l率。數(shù)字濾波器可以成低頻噪聲或?qū)⑵渫频礁哳l率。數(shù)字濾波器可以平滑噪聲信號(hào)并將其從高頻信號(hào)中消除。逐次逼近平滑噪聲信號(hào)并將其從高頻信號(hào)中消除。逐次逼近型的信噪比為型的信噪比為6.02N+1.76，其中，其中N為轉(zhuǎn)換器位數(shù)。為轉(zhuǎn)換器位數(shù)。轉(zhuǎn)換器的信噪比是轉(zhuǎn)換器的信噪比是6.02(N+NINC)+1.

31、76，其中，其中，N是調(diào)節(jié)器位數(shù)，是調(diào)節(jié)器位數(shù)，NINC是增加的分辨率是：是增加的分辨率是：M是調(diào)節(jié)器階數(shù)，是調(diào)節(jié)器階數(shù)，K是轉(zhuǎn)換過程中的過采樣速率。是轉(zhuǎn)換過程中的過采樣速率。 過采樣技術(shù)過采樣技術(shù)圖圖2.22過采樣技術(shù)原理圖過采樣技術(shù)原理圖 圖圖2.23 帶模擬濾波和數(shù)字濾波的過采樣帶模擬濾波和數(shù)字濾波的過采樣 -調(diào)制及噪聲整形技術(shù)調(diào)制及噪聲整形技術(shù) 調(diào)制器由差動(dòng)器、積分器和比較器構(gòu)成調(diào)制器由差動(dòng)器、積分器和比較器構(gòu)成, 它們一起構(gòu)它們一起構(gòu)成一個(gè)反饋環(huán)路。噪聲整型特性成一個(gè)反饋環(huán)路。噪聲整型特性:將模擬輸入與反饋將模擬輸入與反饋信號(hào)信號(hào)(誤差信號(hào)誤差信號(hào)) 進(jìn)行差動(dòng)進(jìn)行差動(dòng)(delta)

32、比較比較, 將比較產(chǎn)生將比較產(chǎn)生的差動(dòng)輸出饋送到積分器的差動(dòng)輸出饋送到積分器( sigma) 中中, 然后將積分器然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時(shí)將反饋的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時(shí)將反饋信號(hào)信號(hào)(誤差信號(hào)誤差信號(hào)) 通過一位通過一位DAC 后傳送到差動(dòng)器后傳送到差動(dòng)器, 而而自身被饋送到數(shù)字濾波器中。自身被饋送到數(shù)字濾波器中。圖圖2.24 一階一階- ADC 圖圖2.25 -調(diào)制器的頻域線性化模型調(diào)制器的頻域線性化模型 圖圖2.26整形后的量化噪聲分布整形后的量化噪聲分布 數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù)數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù) 圖圖2.27 M=4的采樣抽取的采樣抽取 圖圖2

33、.28二階二階- ADC 圖圖2.29 信噪比與階數(shù)和過采樣倍率之間的關(guān)系信噪比與階數(shù)和過采樣倍率之間的關(guān)系 4. V/F型型ADC智能儀器中常用的另一種智能儀器中常用的另一種ADC是是V/F型型ADC。它主要由。它主要由V/F轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。V/F型型ADC的特點(diǎn)是：與積分式的特點(diǎn)是：與積分式ADC一樣，對(duì)一樣，對(duì)工頻干擾有一定的抑制能力；分辨率較高；工頻干擾有一定的抑制能力；分辨率較高；特別適合現(xiàn)場與主機(jī)系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用場特別適合現(xiàn)場與主機(jī)系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用場合；易于實(shí)現(xiàn)光電隔離。合；易于實(shí)現(xiàn)光電隔離。 5. 直接型直接型輸入模擬信號(hào)輸入模擬信號(hào)比較器輸出比較器輸

34、出C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 數(shù)字輸出數(shù)字輸出D2 D1 D00uIVREF/14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0VREF /14 uI 3 VREF /14 0 0 0 0 0 0 1 0 0 13 VREF /14 uI 5 VREF /14 0 0 0 0 0 1 1 0 1 05 VREF /14 uI 7 VREF /14 0 0 0 0 1 1 1 0 1 17 VREF /14 uI 9 VREF /14 0 0 0 1 1 1 1 1 0 09 VREF /14 uI 11 VREF /14 0 0 1 1 1 1 1 1 0 111 VREF /14 u

35、I 13 VREF /14 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013 VREF /14 uI VREF /14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度很快，故又稱優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度很快，故又稱高速高速A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。含有寄存器。含有寄存器的的A/DA/D轉(zhuǎn)換器兼有取樣保持功能，所以它可以轉(zhuǎn)換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保不用附加取樣保持電路持電路。缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，對(duì)于一個(gè)缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，對(duì)于一個(gè)n n位二進(jìn)制輸出的并行比較型位二進(jìn)制輸出的并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器，需轉(zhuǎn)換器，需n n -1-1個(gè)電壓比較器和個(gè)電壓比較器和2 2n n -1-1個(gè)觸發(fā)器，編碼

36、電路也個(gè)觸發(fā)器，編碼電路也隨隨n n的增大變得相當(dāng)復(fù)雜。且轉(zhuǎn)換精度還受分壓網(wǎng)絡(luò)和電壓比的增大變得相當(dāng)復(fù)雜。且轉(zhuǎn)換精度還受分壓網(wǎng)絡(luò)和電壓比較器靈敏度的限制。較器靈敏度的限制。 因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于高速，高速， 精度較低精度較低的場合。的場合。 并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：mVVV44.2096410101221分辨率分辨率= 1. 1. 分辨率分辨率 分辨率指分辨率指A/DA/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力。從理論轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力。從理論上講，一個(gè)上講，一個(gè)n n位二進(jìn)制數(shù)輸出的位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/DA/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入

37、模擬電轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的壓的2 2n n個(gè)不同量級(jí)，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為個(gè)不同量級(jí)，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為 （滿量程輸入的（滿量程輸入的1/21/2n n）。）。 FSRn21例如，例如，A/DA/D轉(zhuǎn)換器的輸出為轉(zhuǎn)換器的輸出為1212位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號(hào)位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號(hào)為為10V10V，則其分辨率為，則其分辨率為 三、三、ADC的技術(shù)指標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)2. 2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/DA/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)開始，到輸轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的

38、時(shí)間。 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型類型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢最慢，需，需幾百毫秒幾百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快較快，需，需幾十微秒幾十微秒；并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快最快，僅需，僅需幾十納秒幾十納秒時(shí)間。時(shí)間。 3. 3. 轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差 它表示它表示A/DA/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換

39、器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)最低有效位的倍數(shù)表示。表示。例如，轉(zhuǎn)換誤差例如，轉(zhuǎn)換誤差 。就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理。就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。LSB21例：某信號(hào)采集系統(tǒng)要求用一片例：某信號(hào)采集系統(tǒng)要求用一片A/DA/D轉(zhuǎn)換集成芯片在轉(zhuǎn)換集成芯片在1s1s內(nèi)對(duì)內(nèi)對(duì)1616個(gè)熱電個(gè)熱電偶的輸出電壓分?jǐn)?shù)進(jìn)行偶的輸出電壓分?jǐn)?shù)進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0 025mV25mV（對(duì)應(yīng)于（對(duì)應(yīng)于0

40、0450450溫度范圍），需分辨的溫度為溫度范圍），需分辨的溫度為0.10.1，試問應(yīng)選擇幾，試問應(yīng)選擇幾位的位的A/DA/D轉(zhuǎn)換器？其轉(zhuǎn)換時(shí)間為多少？轉(zhuǎn)換器？其轉(zhuǎn)換時(shí)間為多少？解：解：4500145010 .分辨率分辨率= 409612112 12位位ADC的分辨率的分辨率= 故需選用故需選用1313位位A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。ms562161. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間= 4. 精度精度 絕對(duì)精度絕對(duì)精度 絕對(duì)精度定義為：對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生一個(gè)給定的輸絕對(duì)精度定義為：對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生一個(gè)給定的輸出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實(shí)際模擬輸入出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實(shí)際模擬輸入電壓的差值。電壓的差值。 絕對(duì)精度

41、由增益誤差、偏移誤差、非線性誤絕對(duì)精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤差以及噪聲等組成。差以及噪聲等組成。 相對(duì)精度相對(duì)精度相對(duì)精度定義為在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字相對(duì)精度定義為在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字輸出碼所對(duì)應(yīng)的模擬輸入實(shí)際值與理想值之差輸出碼所對(duì)應(yīng)的模擬輸入實(shí)際值與理想值之差與模擬滿量程值之比。與模擬滿量程值之比。 偏移誤差。偏移誤差。ADC的偏移誤差定義為使的偏移誤差定義為使ADC的輸出最低位的輸出最低位為為1，施加到，施加到ADC模擬輸入端的實(shí)際電壓與理模擬輸入端的實(shí)際電壓與理論值論值1/2(Vr2n)(即即0.5LSB所對(duì)應(yīng)的電壓值所對(duì)應(yīng)的電壓值)之之差（又稱為偏移電壓）。差（又稱

42、為偏移電壓）。 增益誤差增益誤差增益誤差是指增益誤差是指ADC輸出達(dá)到滿量程時(shí)，實(shí)際模輸出達(dá)到滿量程時(shí)，實(shí)際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。 線性度誤差線性度誤差A(yù)DC的線性度誤差包括積分線性度誤差和微分的線性度誤差包括積分線性度誤差和微分線性度誤差兩種。線性度誤差兩種。a積分線性度誤差積分線性度誤差積分線性度誤差定義為偏移誤差和增益誤差均積分線性度誤差定義為偏移誤差和增益誤差均已調(diào)零后的實(shí)際傳輸特性與通過零點(diǎn)和滿量程已調(diào)零后的實(shí)際傳輸特性與通過零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)的直線之間的最大偏離值，有時(shí)也稱為線性點(diǎn)的

43、直線之間的最大偏離值，有時(shí)也稱為線性度誤差。度誤差。 b微分線性度誤差微分線性度誤差積分線性度誤差是從總體上來看積分線性度誤差是從總體上來看ADC的數(shù)的數(shù)字輸出，表明其誤差最大值。但是，在很字輸出，表明其誤差最大值。但是，在很多情況下往往對(duì)相鄰狀態(tài)間的變化更感興多情況下往往對(duì)相鄰狀態(tài)間的變化更感興趣。微分線性度誤差就是說明這種問題的趣。微分線性度誤差就是說明這種問題的技術(shù)參數(shù)，它定義為技術(shù)參數(shù)，它定義為ADC傳輸特性臺(tái)階的傳輸特性臺(tái)階的寬度（實(shí)際的量子值）與理想量子值之間寬度（實(shí)際的量子值）與理想量子值之間的誤差，也就是兩個(gè)相鄰碼間的模擬輸入的誤差，也就是兩個(gè)相鄰碼間的模擬輸入量的差值對(duì)于量的

44、差值對(duì)于Vr/2n的偏離值。的偏離值。 圖圖2.17 ADC的積分線性度誤差的積分線性度誤差 圖圖2.18 ADC的微分線性度誤差的微分線性度誤差 與微分線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個(gè)與微分線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個(gè)ADC的常用的常用術(shù)語是失碼（術(shù)語是失碼（Missing Cord）或跳碼）或跳碼(Skipped Cord)，也叫做非單調(diào)性。，也叫做非單調(diào)性。 圖圖2.19 ADC的失碼現(xiàn)象的失碼現(xiàn)象 溫度對(duì)誤差的影響溫度對(duì)誤差的影響 環(huán)境溫度的改變會(huì)造成偏移、增益和線環(huán)境溫度的改變會(huì)造成偏移、增益和線性度誤差的變化。性度誤差的變化。 v信噪比（信噪比（SNR）v有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（ENOB）

45、v孔徑誤差孔徑誤差v無雜散動(dòng)態(tài)（無雜散動(dòng)態(tài)（SFDR）v非線性誤差非線性誤差v互調(diào)失真（互調(diào)失真（Intermodulation Distortion）v總諧波失真（總諧波失真（Total Harmonic Distortion）四、ADC的器件介紹補(bǔ)充內(nèi)容2.3 ADC并行采集技術(shù)研究采樣率采樣率(Hz)分分辨辨率率v非均勻采樣信號(hào)的頻譜v誤差對(duì)ADC性能的影響v誤差的時(shí)域和頻域測量、誤差的校正v時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)與HFB采集系統(tǒng)的關(guān)系v并行采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)0ADC1MADC1ADCMUXX0(n)Xm-1(n)X1(n)信信號(hào)號(hào)時(shí)時(shí)鐘鐘X(n)延延遲遲T Ts sx(t)（1）采樣信號(hào)

46、同時(shí)到達(dá)每片ADC的輸入端。（2）共有M個(gè)采樣通道，每一路的采樣率為Fs/M。（3）相鄰?fù)ǖ乐g的采樣時(shí)間間隔為1/Fs， 則合并輸出后的數(shù)據(jù)率可達(dá)到Fs。1、時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)模型、時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)模型v時(shí)間誤差時(shí)間誤差：由于布線和時(shí)鐘延遲等原因，時(shí)鐘到達(dá)每片ADC的時(shí)間間隔不是準(zhǔn)確的1/Fs ，導(dǎo)致非均勻采樣。v增益誤差增益誤差：從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，因不同ADC的增益不同而帶來的誤差。v偏置誤差偏置誤差：由于各片ADC的基準(zhǔn)地的差異，將會(huì)對(duì)每片ADC帶來增益偏置。 三種誤差是同時(shí)存在的，在不同的應(yīng)用環(huán)境中誤差值也不同，誤差校正應(yīng)具有實(shí)時(shí)性。時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)存在的問題

47、：時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)存在的問題：2、非均勻采樣信號(hào)的頻譜、非均勻采樣信號(hào)的頻譜()t (M-0T2TMT1)T圖 1 均勻采樣x(t)t2 0()X t0tD1tTD22tTD1)1(DMtTM0tMTD圖非均勻采樣x(t)( )()0,11dkxnx nMTkTkM( )()()kkkkkdkkkx ng x nMTkTtog xnroD( )dkX( )( )( )kj rkkdkkXg XeO w時(shí)域：頻域：2 ()21100( )( )( )112112()()2()kk rMMjljlkaMMkklklkXXOg eXlo elTMMTTMMT 1212()2()allllA Xl

48、BlTMTTMT 2 ()2211001( )()kkk rMMjljlrjklkMMMkkkgA lg eeeMM 1(2/)01( )MjM lkkkB lo eM其中 0022( )( ) ()( ) ()ssllllXA lB lTMTM 12( )()alXXlTT設(shè)輸入單頻信號(hào)0jte得到其非均勻采樣信號(hào)的頻譜為得到3、誤差對(duì)、誤差對(duì)ADC系統(tǒng)性能的影響系統(tǒng)性能的影響對(duì)單頻信號(hào)，只有時(shí)間誤差時(shí)：012( )( )2()lXA llTMT 012/(2/)01( )ksMjrffjlkMkA leeM可推得：2102|(0)|()10log1 |(0)|timeASNRA例如：M2時(shí)

49、，2210(0)cos (/)sAr ff1010()20logcot(/)timesSNRr ff10/sr ff同樣可得：101,21(0)()20logmax( )timelMASFDRA l只有增益誤差時(shí)，設(shè)kgD服從均值為0，方差為g的均勻分布，可得： 10()20log ()gaingSNR 101,21(0)()20logmax( )gainlMASFDRA l只有偏置誤差時(shí)：2102|(0)|()10log ()offsetoASNR100,1,21(0)()20logmax( )offsetlMASFDRB l三種誤差共存時(shí)：210112210|(0)|()10log|( )

50、|( )|totalMMllASNRA lB l101,210,11(0)()20logmax(max( ),max( )totallMlMASFDRA lB l4、誤差的測量、誤差的測量-頻域方法頻域方法2 ()2211001( )()kkk rMMjljlrjklkMMMkkkgA lg eeeMM1(2/)01( )MjM lkkkB lo eM計(jì)算步驟：4、誤差的測量、誤差的測量-時(shí)域方法時(shí)域方法樣本滿足條件：01111( )sin(2/)0NNdksknnxnf nfNN00/skffmffMD11( )Nkknox nN0( )( )sin2()sin()kkkkkkfx nx n

51、ognMkrgf22222111111( )1cos(2)cos(2)2222NNNkkkkknnnggxnggNNN212( )NkkngxnN000011( )( )cos2()2Nkkkkng gfx xx n x nrkNf 0002arccos()2kkkx xfrkfg g 則：令：5、誤差的校正、誤差的校正( )()kkdkkkx ng xnro( )( )/kkky nL x nog0( )( )0,1,2,1pmkmkmh ncn rnN1100000( )( )( )( )pppNNmnnmmkmkmkmknmmnmHzcn r zcn zrCz r ( )kkjwjwrr

52、dkz eHez( )sin ()dkkhnc nr10( )( )kNrnkknHzh n zz1100000( )( )( )( )pppNNmnnmmkmkmkmknmmnmHzcn r zcn zrCz r FARROW結(jié)構(gòu)：6、ADC并行采集系統(tǒng)的仿真并行采集系統(tǒng)的仿真7、時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)與、時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)與HFB采集系統(tǒng)的關(guān)系采集系統(tǒng)的關(guān)系8、時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)、時(shí)間交替并行采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)最大采樣率：400MHz 最大分辨率：12Bit有效位數(shù)（ENOB）: 9Bit 無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)：55dB總體諧波失真（THD）: 55dB最高采樣率：210

53、MSPS 最大分辨率：12位最大模擬輸入帶寬：700MHz 差分輸入電壓范圍1.5Vp-p有效位數(shù)：10.6位（70MHz模擬輸入，210MSPS）兩路3.3V CMOS交替輸出或以LVDS輸出 設(shè)計(jì)目標(biāo)：AD9430技術(shù)指標(biāo)：系統(tǒng)方案：系統(tǒng)方案：圖2-43 400MHz/12Bit并行采集系統(tǒng)實(shí)物圖 D/A D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)譯碼器譯碼器（解碼器）。一般常（解碼器）。一般常用的線性用的線性D/AD/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓uO O和輸入數(shù)字量和輸入數(shù)字量D Dn n之間成之間成正比關(guān)系正比關(guān)系。U UREFREF為參考電壓。為參考電壓。 D/A

54、D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。以電壓或電流的形式輸出。 uo或或io 輸輸出出 D/A d0 d1 dn1 輸輸入入 Dn (LSB) (MSB) uODnUREF2.4 2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器 將輸入的每一位二進(jìn)制代碼將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按按其其權(quán)值權(quán)值大小大小轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成相應(yīng)成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加模擬量相加，則所得的總模，則所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。的轉(zhuǎn)換。 1-n

55、0iREFiiREF00REF11REF2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu 1-n0iii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：即：D/AD/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓u uO O，等于代碼為，等于代碼為1 1的各位所對(duì)應(yīng)的各位所對(duì)應(yīng)的各分模擬電壓之和。的各分模擬電壓之和。 D/A D/A轉(zhuǎn)換器一般由轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)、參考電壓參考電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)解碼網(wǎng)絡(luò)和和求和電路求和電路等組成。等組成。 數(shù)碼緩沖數(shù)碼緩沖寄存器寄存器n位數(shù)控位數(shù)控模擬開關(guān)模擬開關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)解碼網(wǎng)絡(luò)n位數(shù)字位數(shù)字量輸入量輸

56、入模擬量模擬量輸出輸出求和電路求和電路參考電壓參考電壓n n 位位D/AD/A轉(zhuǎn)換器方框圖轉(zhuǎn)換器方框圖 數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲(chǔ)在數(shù)碼緩沖寄數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲(chǔ)在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)數(shù)位上的電子開存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路；關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-

57、3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 1. 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC原理圖原理圖 二、二、D/AD/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式轉(zhuǎn)換器的主要電路形式權(quán)電阻權(quán)電阻雙向模擬開關(guān)雙向模擬開關(guān)數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入 模模擬擬量量輸輸出出 權(quán)電阻的排列順序和權(quán)值的排列順序相反。權(quán)電阻的排列順序和權(quán)值的排列順序相反。運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器 集成運(yùn)算放大器，作為集成運(yùn)算放大器，作為求和求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖，并將電流權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖，并將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。轉(zhuǎn)換為電壓輸出。 Sn

58、-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 0I0d2R2UR2UI1diii1nREFi1nREFii時(shí)，時(shí)，時(shí)，時(shí)，權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC的原理分析的原理分析 開關(guān)開關(guān)S Si i的位置受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)碼的位置受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)碼d di i控制：控制：當(dāng)當(dāng)d di i=1=1時(shí)，時(shí)，S Si i將對(duì)將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接到參考電壓應(yīng)的權(quán)電阻接到參考電壓U UREFREF上；當(dāng)上；當(dāng)d di i

59、=0=0時(shí)，時(shí)，S Si i將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接地將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接地。i1nREFii1nREFii2R2UdR2UdI 虛短虛短 1-n0iii1-nREFi -1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII虛斷虛斷運(yùn)算放大器總的輸入電流為運(yùn)算放大器總的輸入電流為 運(yùn)算放大器輸出電壓為運(yùn)算放大器輸出電壓為 1n0iii1nREFFFO2dR2URIRu令令 R RF F=R/2 =R/2 ，則，則nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：輸出的模擬電壓即：輸出的模擬電壓u uO O正比正比于輸入的數(shù)字量于輸入的數(shù)字量D Dn n，從而實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)

60、現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。因而因而u uO O的變化范圍是的變化范圍是 REFnnU2120 當(dāng)當(dāng)Dn=Dn-1D0=0時(shí)，時(shí)，uO=0；當(dāng)當(dāng)Dn=Dn-1D0=111時(shí)，時(shí)， 。REFnnOU212u 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，電阻元件數(shù)較少；優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，電阻元件數(shù)較少；缺點(diǎn)：阻值相差較大，制造工藝復(fù)雜。缺點(diǎn)：阻值相差較大，制造工藝復(fù)雜。 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R