幾種模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的分析比較

引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為N位二進(jìn)制數(shù)字輸出信號的技術(shù)。采用數(shù)字信號處理能夠方便實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的自適應(yīng)算法,完成模擬電路無法實(shí)現(xiàn)的功能,因此,越來越多的模擬信號處理正在被數(shù)字技術(shù)所取代。與之相應(yīng)的是,作為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用日趨廣泛。為了滿足市場的需求,各芯片制造公司不斷推出性能更加先進(jìn)的新產(chǎn)品、新技術(shù),令人目不暇接。本文就幾種最為常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行分析比較。

1 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編程四個過程。采樣就是將一個連續(xù)變化的信號x(t)轉(zhuǎn)換成時間上離散的采樣信號x(n)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理,對于采樣信號x(t),如果采樣頻率fs大于或等于2fmax(fmax為x(t)最高頻率成分),則可以無失真地重建恢復(fù)原始信號x(t)。實(shí)際上,由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器器件的非線性失真,量化噪聲及接收機(jī)噪聲等因素的影響,采樣速率一般取fs=2.5fmax。通常采樣脈沖的寬度tw是很短的,故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個采樣輸出信號數(shù)字化,需要將采樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間,這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時間、離散幅度的數(shù)字信號,量化的主要問題就是量化誤差。假設(shè)噪聲信號在量化電平中是均勻分布的,則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗值有關(guān)。編碼是將量化后的信號編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過程有些是合并進(jìn)行的,例如,采樣和保持就利用一個電路連續(xù)完成,量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程同時實(shí)現(xiàn)的,且所用時間又是保持時間的一部分。實(shí)現(xiàn)這些過程的技術(shù)有很多,從早在上世紀(jì)70年代就出現(xiàn)的積分型到最新的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù),種類繁多。由于原理的不同,決定了它們性能特點(diǎn)的差別。

1.1 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器稱雙斜率或多斜率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器,是應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)換器類型。典型的是雙斜率轉(zhuǎn)換器,我們就以其為例說明積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理。雙斜率轉(zhuǎn)換器包括兩個主要部分：一部分電路采樣并量化輸入電壓,產(chǎn)生一個時域間隔或脈沖序列,再由一個計數(shù)器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出,如圖1所示。

雙斜率轉(zhuǎn)換器由1個帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器、1個比較器和1個計數(shù)單元構(gòu)成。積分器對輸入電壓在固定的時間間隔內(nèi)積分,該時間間隔通常對應(yīng)于內(nèi)部計數(shù)單元的最大地數(shù)。時間到達(dá)后將計數(shù)器復(fù)位并將積分器輸入連接到反板性(負(fù))參考電壓。在這個反極性信號作用下,積分器被“反向積分”直到輸出回到零,并使計數(shù)器終止,積分器復(fù)位。

積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度和帶寬都非常低,但它們的精度可以做得很高,并且抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾(如50Hz或60Hz)的能力,使其對于嘈雜的工業(yè)環(huán)境以及不要求高轉(zhuǎn)換速率的應(yīng)用有用(如熱電偶輸出的量化)。

1.2 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

逐次逼近型轉(zhuǎn)換器包括1個比較器、1個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個逐次逼近寄存器(SAR)和1個邏輯控制單元,如圖2所法。

轉(zhuǎn)換中的逐次逼近是按對分原理,由控制邏輯電路完成的。其大致過程如下：啟動轉(zhuǎn)換后,控制邏輯電路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1,其它位置0,逐次逼近寄存器的這個內(nèi)容經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到約為滿量程輸出一半的電壓值。這個電壓值在比較器中與輸入信號進(jìn)行比較。比較器的輸出反饋到數(shù)模轉(zhuǎn)換器,并在下一次比較前對其進(jìn)行修正。在邏輯控制電路的時鐘驅(qū)動下,逐次逼近寄存器不斷進(jìn)行比較和移位操作,直到完成最低有效位(LSB)的轉(zhuǎn)換。這時逐次逼近寄存器的各位值均已確定,逐次逼近轉(zhuǎn)換完成。

由于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在1個時鐘周期內(nèi)只能完成1位轉(zhuǎn)換。N位轉(zhuǎn)換需要N個時鐘周期,故這種模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率不高,輸入帶寬也較低。它的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單,便于實(shí)現(xiàn),不存在延遲問題,適用于中速率而分辨率要求較高的場合。

1.3 閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

與一般模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比,閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器速度是最快的。由于不用逐次比較,它對N位數(shù)據(jù)不是轉(zhuǎn)換N次,而是只轉(zhuǎn)換一次,所以速度大為提高。圖3所示為N位閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理。

轉(zhuǎn)換器內(nèi)有一定參考電壓,模擬輸入信號被同時加到2N-1個鎖存比較器。每個比較器的參考電壓由電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的分壓器引出,其參考電壓比下一個比較器的參考電壓高一個最低有效位。當(dāng)模擬信號輸入時,風(fēng)參考電壓比模擬信號低的那些比較器均輸出高電平(邏輯1),反之輸出低電平(邏輯0)。這樣得到的數(shù)碼稱之為溫度計碼。該碼被加到譯碼邏輯電路,然后送到二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動器上的輸出寄存器。

盡管閃爍型轉(zhuǎn)換器具有極快的速度(最高1GHz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)量巨大的比較器所產(chǎn)生的功率消耗。結(jié)構(gòu)重復(fù)的并行比較器之間還要求精密地匹配,因此任何失配都會造成靜態(tài)誤差,如使輸入失調(diào)電壓(或電流)增大。

閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器還易產(chǎn)生離散的、不確定的輸出,即所謂的“閃爍碼”。閃爍碼主要有兩個來源：2N-1個比較器的亞穩(wěn)態(tài)及溫度計編碼氣泡;不匹配的比較器延遲會使邏輯1變?yōu)檫壿?(或反之),如同溫度計中出現(xiàn)了一個氣泡。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的編碼單元無法識別這種錯誤,經(jīng)過編碼后的輸出同樣會出現(xiàn)“閃爍”。

閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另外一個考慮因素是管芯尺寸。一個8位閃爍型轉(zhuǎn)換器比同等位數(shù)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)一步的比較,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。

1.4 ∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

∑-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器由∑-Δ調(diào)制器及連接及其后的數(shù)字濾波器構(gòu)成,如圖4所示。

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個積分器和1個比較器,以及含有1個1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)。這個內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換器僅僅是一個開關(guān),它將積分器輸入切換到一個正或負(fù)參考電壓。∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括一個時鐘單元,為調(diào)制和數(shù)字濾波器提供適當(dāng)?shù)亩〞r。窄帶信號送入∑-Δ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)過數(shù)字濾波處理后,這種過采樣被降低到一個比較低的采樣率;同時模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率(即動態(tài)范圍)被提高到16位或更高。

盡管∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率較低,且限于比較窄的輸入帶寬,但在模數(shù)轉(zhuǎn)換器市場上仍占據(jù)了很重要的位置。它具有三個主要優(yōu)勢：

*低價格、高性能(高分辨率);

*集成化的數(shù)字濾波;

*與DSP技術(shù)兼容,便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。

2 流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器

從上面對幾種常用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的介紹不難看出,它們都存在這樣或那樣的不足,而流水線結(jié)構(gòu)(或稱為子區(qū)式)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是更為高效和強(qiáng)大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它能夠提供高速、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(意味著低價格);經(jīng)過合理的設(shè)計,還可以提供優(yōu)異的動態(tài)特性。

流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能框圖如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用多個低精度的閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣信號進(jìn)行分級量化,然后將各級的量化結(jié)果組合起來,構(gòu)成一個高精度的量化輸出。每一級由采樣/保持電路(T/H)、低分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及求和電路構(gòu)成,求和電路還包括可提供增益的級間放大器。一個N位分辨率的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次采樣的程序大致如下：

首級電路的采樣/保持器地輸入信號采樣后先由一個M位分辨率的粗模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入進(jìn)行量化,接著用一個至少N位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)果的模擬電平送至求和電路。求和電路從輸入信號中扣除此模擬電平,并將差值精確放大某一固定增益后送交下一級電路處理。經(jīng)過L級這樣的處理后,最后由一個較高精度的K位精細(xì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對殘余信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述各級粗、細(xì)A模數(shù)的輸出組合起來構(gòu)成高精度的N位輸出。為了便于糾正重疊誤差,流水線各級電路都留有冗余位,即滿足：

L×M+K>N

其中,L為級數(shù)(制造商各有不同),M為各級中模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的粗分辨率。K為精細(xì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器級的細(xì)分辨率,而N就是流水模數(shù)轉(zhuǎn)換器的總分辨率。

流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中各級電路分別有自己的跟蹤/保持電路,因此,當(dāng)信號傳遞給次級電路后本級電路的跟蹤/保持器就可釋放出來處理下一次采樣。這樣就提高了整個電路的吞吐能力,一次采樣可在一個時鐘周期內(nèi)完成。為了補(bǔ)償不理想的邊界效應(yīng),如溫度漂移或乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中電容的失配,部分流水模塊轉(zhuǎn)換器還配有校正單元。該單元通常用于流水線的多級(并非所有)電路中,利用兩個校正碼使乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出幅度等于VREF的躍變,任何與此躍變偏離的結(jié)果都會被測量到。各級轉(zhuǎn)換器的誤差被采集起來并存儲到內(nèi)部存儲器中,正常工作時再將結(jié)果從RAM中取回并分別對流水線各環(huán)節(jié)的增益和乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電容失配進(jìn)行補(bǔ)償。

總之,流水線結(jié)構(gòu)簡化了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計,并具有以下優(yōu)點(diǎn)：

*每一線的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正;

*每一級具有各自獨(dú)立的采樣/保持放大器,前一級電路的采/保可以釋放出來用于處理下一次采樣,因此允許流水線各級同時對多個采樣進(jìn)行處理;

*更低的功率消耗;

*更高的采樣速度,價格更低,所需設(shè)計時間更少,難度更小;

*很少有比較器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài),從根本上消除了閃爍碼溫度計氣泡。

但同時,流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器也存在一些缺點(diǎn)：

*復(fù)雜基準(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu);

*輸入信號必須穿過數(shù)級電路,造成流水延遲;

*同步所有輸出需要嚴(yán)格的鎖存定時;

*對工藝缺隱較敏感,會影響增益非線性、失調(diào)及其它參數(shù);

*與其它轉(zhuǎn)換技術(shù)相比,對印制板布線更敏感。

但是,合理地設(shè)計多層印制板線能夠克服上述許多不利因素,外部元件的選擇和選用適當(dāng)型號的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(最好包括內(nèi)部級間增益和誤差失配校準(zhǔn))也能提高系統(tǒng)的性能。

結(jié)束語

模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展日新月異,流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)只是其中一能較為優(yōu)異的。相信隨著數(shù)字技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,一定會有更新、更好的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)出現(xiàn)。最后希望本文能對讀者在選用適合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器時提供一定的參考。

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