數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的分析與比較

1模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換的根本原理12A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的原理及性能比擬12.3并行轉(zhuǎn)換ADC22.5流水線型ADC33模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)開展趨勢(shì)展望44結(jié)束語5參考文獻(xiàn)5英文翻譯5模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的分析與比擬隨著計(jì)算機(jī)、通信和多媒體技術(shù)的飛速開展，全球高新技術(shù)領(lǐng)域數(shù)字化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，利用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號(hào)的情況變得更加普遍。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)作為現(xiàn)實(shí)世界中模擬信號(hào)通向數(shù)字信號(hào)的橋梁，已經(jīng)成為電子技術(shù)開展的關(guān)鍵和瓶頸所在。當(dāng)前，為了適應(yīng)計(jì)算機(jī)、通訊和多媒體技術(shù)的飛速開展以及高新技術(shù)領(lǐng)域的數(shù)字化進(jìn)程不斷加快，要求采樣就是將一個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的信號(hào)。根據(jù)奈奎斯特定理，即f?≥2f,(max)。如果采樣信號(hào)的頻率大于或等于2倍的最高頻率，那么可以從采樣后的信號(hào)無失真地重建恢復(fù)原始信號(hào)?？紤]到模數(shù)轉(zhuǎn)換器件聲等因素的影響，采樣頻率一般取2.5倍到3倍的最高頻率成分。保持是將時(shí)間離散、數(shù)值連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間連續(xù)、數(shù)值量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào)。量化的主要問題就是量化誤差，假設(shè)噪聲信號(hào)在量化電平中是均勻分布的，那編碼是將量化后的信號(hào)編碼成二進(jìn)制代碼輸出。進(jìn)行到這里，也就完成了A/D轉(zhuǎn)程。這些過程通常是合并進(jìn)行的。例如，采樣和保持就經(jīng)常利用一目前，世界上的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)有很多，如傳統(tǒng)的雙積分型ADC、逐次逼近型ADC、并聯(lián)比擬型等ADC,也有近幾年新開展的過采樣Z-△型ADC、流水線結(jié)構(gòu)ADC等，各種以最典型的雙斜率ADC為例來講其工作原理。它由1個(gè)帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器、1個(gè)比擬器、1個(gè)計(jì)數(shù)器、邏輯控制電路、基準(zhǔn)電壓源組成，如圖1所示：與此同時(shí)，在時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行程可分為兩個(gè)階段：第一階段為采樣期，第二階段為比擬期。通過積分型ADC用于低速，精密測(cè)量等領(lǐng)域。這種ADC的分辨率可高達(dá)22位，而且完全2.2逐次逼近型ADC逐次逼近型轉(zhuǎn)換器是應(yīng)用非常廣泛的A/D轉(zhuǎn)換方式之一，它由1個(gè)比擬器、1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個(gè)逐次逼近存放器(SAR)和1個(gè)邏輯控制單元組成，如圖2所示：換后，控制邏輯電路首先把比擬存放器SAR的最高位置1,其它位置為0,SAR中的內(nèi)容經(jīng)的結(jié)果輸出到SAR,并在下一比擬前下，SAR中次高位置1,SAR中的內(nèi)容經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后的電壓值再次送入比擬器中與輸入逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換器速度較高，可達(dá)1MS存在延遲問題，適用于中速率而分辨率要求較高的場(chǎng)合。它的缺點(diǎn)在于如果要求分辨率(>并行轉(zhuǎn)換又稱為閃爍轉(zhuǎn)換方式，是一種直接的對(duì)N位數(shù)據(jù)不是轉(zhuǎn)換N次，而是轉(zhuǎn)換一次。這種轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示：盡管閃爍型轉(zhuǎn)換器具有極快的速度(最高1GH?的采樣速率),但其分辨率受限于管芯尺寸、過大的輸入電容以及數(shù)量巨大的比擬器所產(chǎn)器之間還要求精密地匹配，因此任何失配都會(huì)造成靜態(tài)誤差，如使輸入失調(diào)電壓(或電流)輯1變?yōu)檫壿?(或反之),如同溫度計(jì)中出現(xiàn)了一個(gè)氣泡。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的編碼單的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器要大將近7倍。如果與流水線結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的比擬，閃爍型轉(zhuǎn)換器的輸入電容和功率消耗分別要高出6倍和2倍。Z-△型模數(shù)ADC又稱過采樣轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器由Z-△調(diào)制器及連接及其后的數(shù)字濾波器構(gòu)成。調(diào)制器的結(jié)構(gòu)近似于雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括1個(gè)積分器和1個(gè)比擬器，以及含有1個(gè)1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反應(yīng)環(huán)。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示：送入Z-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器后被以非常低的分辨率(1位)進(jìn)行量化，但采樣頻率卻非常高。經(jīng)(即動(dòng)態(tài)范圍)被提高到16位或更高。最近幾年，用于高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換的Z-△型模數(shù)ADC的其它優(yōu)勢(shì)有：價(jià)格低；高性能(分辨率高達(dá)24位);集成化的數(shù)字濾波。但是它也有缺2.5流水線型ADC受數(shù)字系統(tǒng)中新開展的流水工作方式的啟發(fā)，方式。流水線型ADC又稱為子區(qū)式ADC,是一種更為高效速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且具有令人滿意的低功率消耗和很小的芯片尺寸(意味著低價(jià)格);經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，還可以提供優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。流水線型ADC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖5所示：入進(jìn)行量化，接著用一個(gè)至少N位精度的乘積型數(shù)模放大某一固定增益后送交下一級(jí)電路處理。經(jīng)過L級(jí)這樣的處理后，最后由一個(gè)較高精度的K位精細(xì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)剩余信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述各級(jí)粗、細(xì)A模數(shù)的輸出組合起來構(gòu)其中，L為級(jí)數(shù)(制造商各有不同),M為各級(jí)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的粗分辨率。K為功率消耗(4)很少有比擬器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，從根本上消除了閃爍碼溫度計(jì)氣泡，大大減少了ADC的誤差(5)更高的采樣速度，價(jià)格更低，所需設(shè)計(jì)時(shí)間更少，難度更??；(6)多級(jí)轉(zhuǎn)換提高了ADC的分辨率。但是它也有一些缺點(diǎn)：(1)復(fù)雜基準(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu)不過，隨著電子技術(shù)的飛速的開展，合理的設(shè)計(jì)多層印刷A/D轉(zhuǎn)換器是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)接口的關(guān)鍵部件，長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)技術(shù)的開展；混合和模塊集成A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是主導(dǎo)開展產(chǎn)品，其中16位100～200MH?及8～10位10GH?的性能A/D轉(zhuǎn)換器是新一代先進(jìn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通訊電如Ⅲ/V化合物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)技術(shù)，其晶體管的頻率已大于50GH?;在工藝技術(shù)中，雙極、[1]史艷驚.常見的幾種A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的分析[J].淮南師范學(xué)院學(xué)報(bào)2005,(3)[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)根底(第四版)[M].北京高等教育出版社1998:479-500[4]曹鵬.模數(shù)變換器的幾種典型結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，2003,(3):13-16[8]張建華.數(shù)字電子技術(shù)(第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000processingsystem,focusonrate,appearingdifferentkindsofstructureandofdifferentfeatures.Thethesisgaveusabriefintroductionofcurrentconvertor'sp