介绍
 
模数转换是一种将模拟量输入信号转换成N位二进制数字输出信号的技术。数字信号处理的应用可以促进各种先进的自适应算法的实现,而模拟电路无法实现。因此,越来越多的模拟信号处理被数字技术所取代。相应地,作为模拟系统与数字系统之间的桥梁,模数转换的应用也越来越广泛。为满足市场需求,芯片制造企业不断推出更先进的新产品和新技术,令人眼花缭乱。本文分析比较了几种常用的模数转换技术。
 
1 A/D转换技术
 
模数转换包括四个过程:采样、保持、量化和编程。采样是将连续变化的信号x(t)及时转换为离散采样信号x(n)。根据奈奎斯特采样定理,对于采样信号x(t),如果采样频率fs大于或等于2 fmax(fmax是x(t)的最高频率分量),则可以在不失真的情况下重建原始信号x(t)。实际上,由于ADC器件的非线性失真、量化噪声和接收机噪声,采样率一般取fs=2.5fmax。一般来说,采样脉冲的宽度tw很短,因此采样脉冲的输出是间歇性的,且很窄。为了使采样输出信号数字化,需要将采样输出的瞬时模拟信号保持一段时间,这就是保持过程。量化是将连续幅度的采样信号转换为离散时间和离散幅度的数字信号。量化的主要问题是量化误差。假设噪声信号在量化水平上均匀分布,量化噪声的均方值与模数转换器的量化间隔和输入阻抗有关。编码是将量化后的信号编码成二进制码输出。其中一些过程是结合在一起的。例如,采样和维护是由电路连续完成的。量化和编码在转换过程中同时实现,使用的时间是保持时间的一部分。实现这些过程的技术有很多,从早在20世纪70年代就出现的积分型到最新的流水线模数转换技术。由于原理不同,它们具有不同的性能特点。
 
1.1积分模数转换器
 
积分型模数转换器,称为双斜坡或多斜坡数据转换器,是应用最广泛的转换器类型。典型的是双斜坡转换器。我们以它为例说明了积分型模数转换器的工作原理。双斜坡转换器由两个主要部分组成:一部分电路对输入电压进行采样和量化,产生一个时间域间隔或脉冲序列,然后通过计数器转换成数字输出,如图1所示。
 
双斜坡转换器由带输入开关的模拟积分器、比较器和计数单元组成。积分器将输入电压以固定的时间间隔进行积分,通常对应于内部计数单元的最大数量。当时间到达时,计数器复位,积分器输入连接到负参考电压。在这个反极性信号的作用下,积分器被“反向集成”,直到输出归零,计数器终止,积分器复位。
 
集成模数转换器的采样速度和带宽都很低,但精度很高,抑制高频噪声和固定低频干扰(如50赫兹或60赫兹)的能力使其适用于有噪声的工业环境和应用场合。不需要高转换率的阳离子(如热电偶输出的量化)。
 
1.2逐次逼近模数转换器
 
逐次逼近变换器包括比较器、数模转换器、逐次逼近寄存器(sar)和逻辑控制单元,如图2所示。转换过程中的逐次逼近是由控制逻辑电路根据对分原理实现的。一般过程如下:在开始转换后,控制逻辑电路首先逐个逼近寄存器的最高位置,另一个位置0,逐个接近寄存器的内容,经过数模转换后,得到约一半的全范围的输出电压。将该电压值与比较器中的输入信号进行比较。比较器的输出反馈给DAC,并在下一次比较之前进行校正。在逻辑控制电路的时钟驱动下,连续比较并移动逐次逼近寄存器,直到完成最低有效位(LSB)的转换。此时,已确定逐次逼近寄存器的值,并完成逐次逼近转换。
 
因为逐次逼近ADC只能在一个时钟周期内完成1位转换。N位转换需要N个时钟周期,因此该模数转换器的采样率不高,输入带宽低。它具有原理简单、易于实现、无延时问题、适用于中速、高分辨率场合的优点。
 
1.3闪烁模数转换器
 
与一般的模数转换器相比,闪烁模数转换器的速度最快。因为它不需要连续比较,不需要转换N位数据,只需要一次,所以速度大大提高。图3说明了N位闪烁模数转换器的原理。转换器中有一定的参考电压,模拟量输入信号同时加到2N-1锁存比较器中。每个比较器的参考电压由一个由电阻网络组成的分压器导出。每个比较器的参考电压比下一个比较器的参考电压高一个最低有效位。当输入模拟信号时,比较器的风参考电压低于模拟信号,所有输出高电平(逻辑1),反之亦然,低电平(逻辑0)。产生的数字称为温度计代码。该代码被添加到解码逻辑电路中,并发送到二进制数据输出驱动器上的输出寄存器。
 
尽管闪烁转换器的速度非常快(采样率高达1 GHz),但其分辨率受到核心尺寸、输入电容过大和大量比较器功耗的限制。具有重复结构的并行比较器也需要精确匹配,因此任何不匹配都会导致静态误差,例如增加输入偏移电压(或电流)。
 
闪烁模拟-数字转换器也容易产生离散和不确定的输出,称为“闪烁码”。闪烁码主要来自两个来源:2N-1比较器的亚稳态和温度计的编码气泡;不匹配的比较器延迟会使逻辑1变为逻辑0(反之亦然),就像温度计中出现气泡一样。由于ADC中的编码单元无法识别此错误,编码后的输出也会出现“闪烁”。
 
闪烁ADC的另一个考虑因素是核心的大小。8位闪烁转换器比同一位的流水线模数转换器大近7倍。与管道结构相比,闪烁转换器的输入电容和功耗分别高6倍和2倍。
 
1.4---U模数转换器
 
_-转换器也称为过采样转换器。转换器由Sigma-Delta调制器和随后连接的数字滤波器组成,如图4所示。该调制器的结构类似于双斜坡模数转换器,包括积分器和比较器,以及带1位模数转换器的反馈回路。内置的数模转换器只是一个开关,它将积分器输入转换为正或负参考电压。sigma-delta模数转换器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。窄带信号在送入_uuu模数转换器后以非常低的分辨率(1位)进行量化,但采样频率非常高。经过数字滤波后,这种过采样率降低到一个相对较低的采样率,ADC的分辨率(即动态范围)提高到16位或更高。
 
尽管Sigma-Delta ADC的采样率较低,且仅限于窄的输入带宽,但在ADC市场上仍占有重要地位。它有三个主要优势:
 
*低价格、高性能(高分辨率);
 
*集成数字滤波;
 
*它与DSP技术兼容,易于实现系统集成。
 
2管道A/D转换器
 
从以上几种常用的模数转换器的介绍中不难看出,它们都存在一些缺点,而流水线模数转换器(或子区域转换器)是更高效、更强大的模数转换器。它可以提供高速、高分辨率的模数转换,具有令人满意的低功耗和小芯片尺寸(即低价格);经过合理的设计,还可以提供优良的动态特性。
 
流水线ADC的功能框图如图5所示。该结构采用多个低精度闪烁模数转换器对采样信号进行量化,然后将各级量化结果结合起来形成高精度量化输出。每级包括采样/保持电路(T/H)、低分辨率模数转换器(LDADC)、数模转换器(DAC)和求和电路。该求和电路还包括提供增益的级间放大器。具有n位分辨率的流水线模数转换器完成一个采样过程,如下所示:
 
第一级电路的输入信号由具有M位分辨率的粗模数转换器进行采样和量化。然后由至少N位精度的产品数模转换器(mdac)将与量化结果对应的模拟电平发送到求和电路。求和电路从输入信号中扣除模拟电平,并将差精确放大到固定增益,然后将其发送到下一阶段进行处理。经过L级处理后,采用高精度的K位精细模数转换器对剩余信号进行转换。结合以上各级的粗、细A模输出,形成高精度N位输出。为了方便地纠正重叠错误,在管道电路的所有级别上都会留下冗余位,也就是说:
 
其中,L是一个系列(厂家不同),M是模拟数字转换器电路各级的粗分辨率。k是精细模数转换器电平的细分分辨率,n是流水线模数转换器的总分辨率。
 
在流水线ADC中,每一级电路都有自己的跟踪/保持电路,因此当信号传输到二次电路时,可以释放二次电路的跟踪/保持装置来处理下一次采样。这样可以提高整个电路的吞吐量,并且可以在一个时钟周期内完成单个采样。为了补偿产品型数模转换器的温度漂移或电容失配等边界效应,一些管模转换器还配备了校正单元。这种装置通常用于多段(不是全部)流水线电路。用两个修正码使产品数模转换器的输出振幅等于VREF的跳变。任何与跳跃的偏差都可以测量。各级转换器的错误被收集并存储在内存中。从随机存取存储器(RAM)中提取结果,并对管道链路增益和产品型数模转换器(DAC)的电容失配进行补偿。
 
总之,流水线结构简化了ADC的设计,具有以下优点:
 
*每行的冗余位优化了重叠误差的校正。
 
 

关键词: 模数转换技术 比较