模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換及其應用論文

1、 模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換及其應用摘要：隨著電子技術的迅速發(fā)展以及計算機在自動檢測和自動控制系統(tǒng)中的廣泛應用，利用電子系統(tǒng)處理模擬信號的情況變得更加普遍。數(shù)字電子計算機所處理的都是不連續(xù)的數(shù)字信號，而實際遇到的大都是連續(xù)的模擬量，模擬量經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號的模擬量后，需經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號后才可輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進行處理和控制。同時，往往還要求將處理后得到的數(shù)字信號再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換成相應的模擬信號，作為最后的輸出。模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換建立在各種轉(zhuǎn)換電路的基礎上，并且不斷改進模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度。模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換技術在工業(yè)中有著重要的應用。關鍵字：電子系統(tǒng) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換技術的

2、應用Digital to analog、digital to analog conversion and its application Abstract: With the rapid development of electronic technology and computer in the automatic detection and automatic control system in the broad application, the use of electronic system for processing analog signal conditions becom

3、e more common. Digital electronic computer processing are not continuous digital signal, but actually encountered mostly continuous analog, analog quantity sensor is converted into electrical signals by analog, after A / D conversion into digital signal can be input to a digital system for processin

4、g and control. At the same time, also often seek treatment received digital signals through D / A conversion into a corresponding analog signal, as the final output. ADC, DAC based on conversion circuit based on continuous improvement, and module, digital to analog converter conversion precision and

5、 conversion rate. ADC，DAC technology in industry has important applications.Key words: electronicsystem；analogtodigitalconverter；digitaltoanalogconverter；conversiontechnologyapplication第12頁 共13頁引言作為把模擬電量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量或數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬電量輸出的接口電路，轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)實世界中模擬信號通向數(shù)字信號的橋梁，是電子技術發(fā)展的關鍵和瓶頸所在。當前，為了適應計算機、通訊和多媒體技術的飛速發(fā)展以及高新技術領域的

6、數(shù)字化進程不斷加快， 在工藝、結構、性能上都有了很大的進步，正在朝著低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展。隨著計算機、通信和多媒體技術的飛速發(fā)展，全球高新技術領域數(shù)字化的程度已不斷加深。如今電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了以數(shù)字技術為主體的格局，特別是半導體產(chǎn)業(yè)顯的尤為突出。半導體技術數(shù)字化和集成化的日益提高，在推動微控制器(MCU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、微機械電子系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展中，也推動了“嵌入”或“隱性”模數(shù)轉(zhuǎn)換技術的發(fā)展。在這些因素的影響下，模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)化技術正朝著高精度、高速度的發(fā)展方向邁進。為了適應發(fā)展的要求，轉(zhuǎn)換技術也變得越來越復雜。本文就模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)化所應用的主要轉(zhuǎn)換技術以及

7、各自的特點做一簡要的介紹。主要/D轉(zhuǎn)換技術模數(shù)轉(zhuǎn)換技術主要有以下幾種：(1)積分型ADC積分型ADC應用比較廣泛的是雙積分型轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔，與此同時，在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。其原理如圖（1）所示。其工作分為兩個階段，第一階段為采樣期；第二階段為比較期。通過兩次積分和計數(shù)器的計數(shù)可以得到模擬信號的數(shù)字值，其中n為計數(shù)器的位數(shù)，為輸入電壓在固定時間間隔內(nèi)的平均值。雙積分型轉(zhuǎn)換方式的特點表現(xiàn)在： 精度較高，可以達到22位；抗干擾能力強，由于積分電容的作用，能夠大幅抑止高頻噪聲。但是，它的轉(zhuǎn)換速度

8、太慢，轉(zhuǎn)換精度隨轉(zhuǎn)換速率的增加而降低，每秒100300次(SPS)對應的轉(zhuǎn)換精度為12位。所以這種轉(zhuǎn)換方式主要應用在低速高精度的轉(zhuǎn)換領域。 圖(1 )積分型ADC原理圖(2)逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC由比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器（SAR）、時鐘發(fā)生器和邏輯控制單元組成。如圖（2）所示，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SAR的最高位置1，其它位都置0，SAR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行修正。在邏輯

9、控制電路的時鐘驅(qū)動下，不斷進行比較和移位操作，直到完成最低有效位（LSB）的轉(zhuǎn)換，此時所產(chǎn)生的ADC輸出逼近輸入電壓的正負1/2LSB。當每一位都確定后，轉(zhuǎn)換結果被鎖存到SAR并作為ADC輸出。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)點是原理簡單，便于實現(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。圖( 2)逐次逼近型ADC原理圖(3)并行轉(zhuǎn)換ADC并行轉(zhuǎn)換又稱為閃爍型轉(zhuǎn)換方式，是一種直接的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式。它大大減少了轉(zhuǎn)換過程的中間步驟，每一位數(shù)字代碼幾乎在同一時刻得到，因此，在所有的模數(shù)轉(zhuǎn)

10、換中，它的轉(zhuǎn)換速度最快。這種轉(zhuǎn)換器的結構如圖（3）所示。并行轉(zhuǎn)換的主要特點是它的轉(zhuǎn)換速度特別快，特別適合高速轉(zhuǎn)換領域。缺點是分辨率不高， 一般都在10位以下；精度較高時，功耗較大。這主要是受到了電路實現(xiàn)的影響， 因為一個N位的并行轉(zhuǎn)換器，需要個比較器和分壓電阻，當N=10時，比較器的數(shù)目就會超過1000個，精度越高，比較器的數(shù)目越多，制造越困難。圖(3 )并行轉(zhuǎn)換ADC原理圖(4)過采樣型ADC 型ADC又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器由調(diào)制器及連接于其后的數(shù)字濾波器構成，如圖（4）所示。調(diào)制器的結構近似于雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括1個積分器和個比較器，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

11、數(shù)模轉(zhuǎn)換器僅僅是一個開關，它將積分器輸入切換到一個正或負的參考電壓。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?shù)亩〞r。窄帶信號送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器后被以非常低的分辨率（1位）進行量化， 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)很重要的位置，目前在音頻領域得到廣泛的應用。它具有三個主要優(yōu)勢： 低價格、高性能高分辨率，可達24位以上；集成化的數(shù)字濾波；與DSP技術兼容，便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成。圖(4)過采樣型ADC原理圖(5

12、)流水線結構ADC流水線結構（圖5）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器能夠提供高速、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），目前廣泛應用于視頻信號處理領域。流水線結構的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用多個低精度的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器對采樣信號進行分級量化，然后將各級的量化結果組合起來，再經(jīng)過數(shù)字校正單元，構成一個高精度的量化輸出。每一級由采樣/保持電路（S/ 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成，求和電路還包括可提供增益的級間放大器.快速精確的N位轉(zhuǎn)換器分成兩段以上的子區(qū)（流水線）來完成。首級電路的采樣/保持器對輸入信號取樣后先由一個M位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器對輸入進行量化,接著用一個

13、至少N位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）產(chǎn)生一個對應于量化結果的模擬電平并送至求和電路,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,最后由一個的K位A/D轉(zhuǎn)換器對殘余信號進行轉(zhuǎn)換。將上述各級A/D的輸出組合起來即構成高精度的N位輸出。流水線結構簡化了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設計，并具有以下優(yōu)點：每一線的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正；允許流水線各級同時對多個采樣進行處理；更低的功率消耗；更高的采樣速度，價格更低，所需設計時間更少、 難度更??；很少有比較器進入亞穩(wěn)態(tài)，從根本上消除了閃爍碼和溫度計氣泡。同時，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器也存在一些缺點：復雜的基

14、準電路和偏置結構；輸入信號必須穿過數(shù)級電路，造成流水線延遲；同步所有輸出需要嚴格的鎖存定時；對工藝缺陷較敏感，會影響增益非線性、失調(diào)及其它參數(shù)；與其它轉(zhuǎn)換技術相比，對印制板布線更敏感。圖(5)流水線結構ADC原理圖(6)折疊差值轉(zhuǎn)換ADC折疊插值型轉(zhuǎn)換方式通過預處理電路，同時得到高位和低位數(shù)據(jù)，信號預處理的方法是折疊。折疊就是把輸入較大的信號映射到某一個較小的區(qū)域內(nèi)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這個數(shù)據(jù)為整個數(shù)字量的低位數(shù)據(jù)。然后再找出輸入信號被映射的區(qū)間，該區(qū)間也以數(shù)字量表示，這個數(shù)據(jù)為整個數(shù)字量的高位數(shù)據(jù)。高位和低位數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，得到最后的數(shù)字信號。實際的折疊電路是由多個差分對構成的。以低位為5

15、位量化為例，采用4個折疊電路，那么每個折疊區(qū)間會有4個折疊波，再通過插值的方法，利用8個電阻分壓產(chǎn)生的基準電壓，調(diào)節(jié)這4個折疊電路，就可以得到另外的7組折疊波，這樣可以產(chǎn)生32路折疊波，然后把這32路折疊后的信號送入比較器，再經(jīng)過編碼，產(chǎn)生低位數(shù)據(jù)。圖（6）就是折疊插值轉(zhuǎn)換方式的原理圖。折疊插值轉(zhuǎn)換方式的特點是：數(shù)據(jù)的兩次量化是同時進行的，具有全并行轉(zhuǎn)換的特點，速度較快；電路規(guī)模及功耗不大，如這里的8位轉(zhuǎn)換器只需40個比較器。折疊插值方式存在的問題是信號頻率過高時，有所謂“氣泡”現(xiàn)象產(chǎn)生，需要額外的處理電路；且當位數(shù)超過8位時，如要保持較少的比較器數(shù)目，折疊插值變得十分麻煩，所以一般只用于8位

16、以下的轉(zhuǎn)換器當中。圖(6)折疊差值轉(zhuǎn)換ADC原理圖(7)光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器（OADC）近幾年，研究人員提出了一種基于光學延時的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中的一種實現(xiàn)方案如圖（7）所示，它采用超連續(xù)的寬光譜的EDFL光纖激光器（譜寬為幾十納米，脈沖寬度為亞皮秒，重復率為吉赫茲左右），經(jīng)時一段光纖的傳輸后，首先經(jīng)過一個偏振分束器（PBS），然后將偏振光通過一個WDM器件，將其分成若干個波長，各個波長各自通過不同長度的保偏光纖后，由法拉第鏡將各個波長的光反射回去，再次經(jīng)過WDM和偏振分束器后，合成一路包含不同波長光的脈沖序列， 通過一個調(diào)制器對射頻信號進行采樣，采樣后的脈沖序列再經(jīng)過另一個WDM器件，將其按波長分配

17、到不同的光路上，實現(xiàn)了并行處理。采用這種方案的一種器件做到了18Gsps的采樣速率和7bit的采樣精度。圖(7 ) 光學模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要D/轉(zhuǎn)換技術數(shù)模轉(zhuǎn)換技術主要有以下幾種：(1) 權電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC權電阻轉(zhuǎn)換器如圖（8）所示。圖(8 )權電阻轉(zhuǎn)換器因為運算放大器同相端接地，所以反相端為虛地，電位為0，從而有： 由于運放輸入阻抗很大，Ii=0，從而有： 而運放的輸出電壓為：權電阻D/A轉(zhuǎn)換器的缺點是電阻的阻值太多，如果是8位轉(zhuǎn)換器需要8個電阻，阻值范圍從R到128R，要保證這么大范圍的阻值精度范圍都小于0.5%是很難的，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)中。(2) R/2R倒T型電阻網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換DACR/2R倒

18、T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器如圖（9）所示。圖(9)R/2R倒T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器由于該轉(zhuǎn)換器中的電阻值不是R就是2R，所以克服了權電阻轉(zhuǎn)換器中電阻值多的缺點。該轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的關系，可以用在該轉(zhuǎn)換器的輸入端輸入數(shù)字量1000、0100、0010和0001，然后計算出對應各個數(shù)字量的模擬量的方法獲得。數(shù)字量為1000的情況數(shù)字量為1000，也就是除D3=1外，D2、D1、D0都是0，這種情況如圖（10）所示。圖（10）由于D2=D1=D0=0，根據(jù)電阻串并連的規(guī)律，有REQ=2R。由于運放的反相端是虛地，所以實際上沒有電流流過REQ。由此有電流I： 由此可以得到對應數(shù)字量1000的模

19、擬量輸出電壓是： 數(shù)字量為0100的情況如果數(shù)字量為0100，就是說D3=0、D2=1、D1=0、D0=0，這種情況如圖（11）所示。圖（11）這種情況下流過電阻R f的電流I為 則輸出的模擬量為 數(shù)字量為0010的情況如果數(shù)字量為0010，就是說D3=0、D2=0、D1=1、D0=0，這種情況如圖（12）所示。圖（12）這種情況下流過電阻R f的電流I為 則輸出的模擬量為 數(shù)字量為0001的情況如果數(shù)字量為0001，就是說D3=0、D2=0、D1=0、D0=1，這種情況如圖(13)所示。圖(13)這種情況下流過電阻R f的電流I為 則輸出的模擬量為 若是數(shù)字量不是上述4種情況，則肯定是上述4

20、種情況的疊加，這時輸出模擬量也是上述4種輸出模擬量的疊加。(3) R/2RT型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器圖(14)是R/2RT型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器。圖中，運放輸入端V的電位總是接近于0V（虛地），所以無論數(shù)字量D3、D2、D1、D0控制的開關是連接虛地還是真地，流過各個支路的電流都保持不變。為計算流過各個支路的電流，可以把電阻網(wǎng)絡等效成圖(15)的形式?？梢钥闯?，從A、B、C和D點向左看的等效電阻都是R，因此從參考電源流向電阻網(wǎng)絡的電流為I=VR/R，而每個支路電流依次為I/2，I/4，I/8，I/16。各個支路電流在數(shù)字量D3、D2、D1和D0的控制下流向運放的反相端或地，若是數(shù)字量為1，則流入

21、運放的反相端，若數(shù)字量為0，則流入地。圖(14) R/2RT型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器圖(15)各個支路電流的等效網(wǎng)絡/D轉(zhuǎn)換技術的應用及發(fā)展A/D轉(zhuǎn)換技術的新發(fā)展及應用前景隨著數(shù)字技術的發(fā)展，也有了長足的進步和發(fā)展，新型的ADC正朝著低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展。在此基礎上，還要考慮功耗、體積、便捷、多功能、與計算機及通信網(wǎng)絡的兼容性。主要的應用領域不斷拓寬，廣泛應用于多媒體、通訊、自動化、儀器儀表等領域。采用脈動型和折疊型等結構的高速 ADC，可應用于廣播衛(wèi)星中的基帶解調(diào)等方面。當ADC利用高抽樣率和數(shù)字信號處理技術，將抽樣、量化、數(shù)字信號處理融為了一體，從而獲得了高精度的 ADC，目前可

22、達 24 位，主要應用于高精度數(shù)據(jù)采集特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等電子測量領域。低電源、低功耗、高速、高精度 A/D和 D /A 轉(zhuǎn)換器是主導發(fā)展產(chǎn)品，其中16 位 100 200MHZ 及 8 10 位 10GHZ 的高性能 A /D 轉(zhuǎn)換器是新一代先進雷達、電子戰(zhàn)和通訊電子系統(tǒng)的關鍵器件之一，如今，模數(shù)轉(zhuǎn)換技術已經(jīng)變得復雜多樣，但由以上分析可以看出，它有著如下的發(fā)展趨勢：結構不斷簡化。一方面減少制作難度相對較大、在芯片中特性匹配要求較高的部件的數(shù)量，減少高速比較器、寬帶運放、精密電阻等。另一方面減少模擬部件，盡可能多地采用成熟的數(shù)字電路?，F(xiàn)代 ADC 制造商為用戶應用考慮的越來越多，用戶在方案設計時一定要在器件選型上下一些功夫，針對實