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(hào)轉(zhuǎn)換為N位二進(jìn)制數(shù)字輸出信號(hào)的技術(shù)。采用數(shù)字信號(hào)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(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能,因此,越來(lái)越多的模擬信號(hào)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(chǎng)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(gè)過(guò)程。采樣就是將一個(gè)連續(xù)變化的信號(hào)x(t)轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的采樣信號(hào)x(n)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理,對(duì)于采樣信號(hào)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(wú)失真地重建恢復(fù)原始信號(hào)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(gè)采樣輸出信號(hào)數(shù)字化,需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號(hào)保持一段時(shí)間,這就是保持過(guò)程。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,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(hào)編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過(guò)程有些是合并進(jìn)行的,例如,采樣和保持就利用一個(gè)電路連續(xù)完成,量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過(guò)程同時(shí)實(shí)現(xiàn)的,且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分。實(shí)現(xiàn)這些過(guò)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(shuō)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(gè)主要部分：一部分電路采樣并量化輸入電壓,產(chǎn)生一個(gè)時(shí)域間隔或脈沖序列,再由一個(gè)計(jì)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(gè)帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器、1個(gè)比較器和1個(gè)計(jì)數(shù)單元構(gòu)成。積分器對(duì)輸入電壓在固定的時(shí)間間隔內(nèi)積分,該時(shí)間間隔通常對(duì)應(yīng)于內(nèi)部計(jì)數(shù)單元的最大地?cái)?shù)。時(shí)間到達(dá)后將計(jì)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(gè)反極性信號(hào)作用下,積分器被“反向積分”直到輸出回到零,并使計(jì)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(duì)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(gè)比較器、1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)和1個(gè)邏輯控制單元,如圖2所法。

轉(zhuǎn)換中的逐次逼近是按對(duì)分原理,由控制邏輯電路完成的。其大致過(guò)程如下：?jiǎn)?dòng)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(gè)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(gè)電壓值在比較器中與輸入信號(hào)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(duì)其進(jìn)行修正。在邏輯控制電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只能完成1位轉(zhuǎn)換。N位轉(zhuǎn)換需要N個(gè)時(shí)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(jiǎn)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(chǎng)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(duì)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(hào)被同時(shí)加到2N-1個(gè)鎖存比較器。每個(gè)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(gè)比較器的參考電壓高一個(gè)最低有效位。當(dāng)模擬信號(hào)輸入時(shí),風(fēng)參考電壓比模擬信號(hào)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(jì)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(dòng)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(guò)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(huì)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(gè)來(lái)源：2N-1個(gè)比較器的亞穩(wěn)態(tài)及溫度計(jì)編碼氣泡;不匹配的比較器延遲會(huì)使邏輯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)換器中的編碼單元無(wú)法識(shí)別這種錯(cuò)誤,經(jīng)過(guò)編碼后的輸出同樣會(huì)出現(xiàn)“閃爍”。

閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另外一個(gè)考慮因素是管芯尺寸。一個(gè)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。

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1.4 ∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

∑-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過(guò)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(gè)積分器和1個(gè)比較器,以及含有1個(gè)1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)。這個(gè)內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換器僅僅是一個(gè)開關(guān),它將積分器輸入切換到一個(gè)正或負(fù)參考電壓。∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)時(shí)鐘單元,為調(diào)制和數(shù)字濾波器提供適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)。窄帶信號(hào)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(guò)數(shù)字濾波處理后,這種過(guò)采樣被降低到一個(gè)比較低的采樣率;同時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率(即動(dòng)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(chǎng)上仍占據(jù)了很重要的位置。它具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：

*低價(jià)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(duì)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(jià)格);經(jīng)過(guò)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(gè)低精度的閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣信號(hào)進(jìn)行分級(jí)量化,然后將各級(jí)的量化結(jié)果組合起來(lái),構(gòu)成一個(gè)高精度的量化輸出。每一級(jí)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(jí)間放大器。一個(gè)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(jí)電路的采樣/保持器地輸入信號(hào)采樣后先由一個(gè)M位分辨率的粗模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入進(jìn)行量化,接著用一個(gè)至少N位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)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(hào)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(jí)電路處理。經(jīng)過(guò)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)殘余信號(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(lái)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(jí)電路都留有冗余位,即滿足：

L×M+K>N

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為精細(xì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器級(jí)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(jí)電路分別有自己的跟蹤/保持電路,因此,當(dāng)信號(hào)傳遞給次級(jí)電路后本級(jí)電路的跟蹤/保持器就可釋放出來(lái)處理下一次采樣。這樣就提高了整個(gè)電路的吞吐能力,一次采樣可在一個(gè)時(shí)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(jí)(并非所有)電路中,利用兩個(gè)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(huì)被測(cè)量到。各級(jí)轉(zhuǎn)換器的誤差被采集起來(lái)并存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)器中,正常工作時(shí)再將結(jié)果從RAM中取回并分別對(duì)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(jiǎn)化了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì),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(jí)具有各自獨(dú)立的采樣/保持放大器,前一級(jí)電路的采/?？梢葬尫懦鰜?lái)用于處理下一次采樣,因此允許流水線各級(jí)同時(shí)對(duì)多個(gè)采樣進(jìn)行處理;

*更低的功率消耗;

*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(jì)氣泡。

但同時(shí),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(hào)必須穿過(guò)數(shù)級(jí)電路,造成流水延遲;

*同步所有輸出需要嚴(yán)格的鎖存定時(shí);

*對(duì)工藝缺隱較敏感,會(huì)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(duì)印制板布線更敏感。

但是,合理地設(shè)計(jì)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(hào)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(最好包括內(nèi)部級(jí)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(yǔ)

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(huì)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(duì)讀者在選用適合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)提供一定的參考。

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