模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用論文

1、 模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用摘要：隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)在自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，利用電子系統(tǒng)處理模擬信號(hào)的情況變得更加普遍。數(shù)字電子計(jì)算機(jī)所處理的都是不連續(xù)的數(shù)字信號(hào)，而實(shí)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(hào)的模擬量后，需經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)后才可輸入到數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行處理和控制。同時(shí)，往往還要求將處理后得到的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)，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(chǔ)上，并且不斷改進(jìn)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(shù)在工業(yè)中有著重要的應(yīng)用。關(guān)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(shù)的

2、應(yīng)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(shí)世界中模擬信號(hào)通向數(shù)字信號(hào)的橋梁，是電子技術(shù)發(fā)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)的飛速發(fā)展以及高新技術(shù)領(lǐng)域的

6、數(shù)字化進(jìn)程不斷加快， 在工藝、結(jié)構(gòu)、性能上都有了很大的進(jìn)步，正在朝著低功耗、高速、高分辨率的方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)、通信和多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，全球高新技術(shù)領(lǐng)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(shù)為主體的格局，特別是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)顯的尤為突出。半導(dǎo)體技術(shù)數(shù)字化和集成化的日益提高，在推動(dòng)微控制器(MCU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微機(jī)械電子系統(tǒng)(MEMS)的發(fā)展中，也推動(dòng)了“嵌入”或“隱性”模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)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(shù)正朝著高精度、高速度的發(fā)展方向邁進(jìn)。為了適應(yīng)發(fā)展的要求，轉(zhuǎn)換技術(shù)也變得越來越復(fù)雜。本文就模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)化所應(yīng)用的主要轉(zhuǎn)換技術(shù)以及

7、各自的特點(diǎn)做一簡要的介紹。主要/D轉(zhuǎn)換技術(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有以下幾種：(1)積分型ADC積分型ADC應(yīng)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(shí)間間隔，與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。其原理如圖（1）所示。其工作分為兩個(gè)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(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)可以得到模擬信號(hào)的數(shù)字值，其中n為計(jì)數(shù)器的位數(shù)，為輸入電壓在固定時(shí)間間隔內(nèi)的平均值。雙積分型轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)表現(xiàn)在： 精度較高，可以達(dá)到22位；抗干擾能力強(qiáng)，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(yīng)的轉(zhuǎn)換精度為12位。所以這種轉(zhuǎn)換方式主要應(yīng)用在低速高精度的轉(zhuǎn)換領(lǐng)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(shí)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(dòng)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(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其進(jìn)行修正。在邏輯

9、控制電路的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，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，此時(shí)所產(chǎn)生的ADC輸出逼近輸入電壓的正負(fù)1/2LSB。當(dāng)每一位都確定后，轉(zhuǎn)換結(jié)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(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。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(shí)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(jié)構(gòu)如圖（3）所示。并行轉(zhuǎn)換的主要特點(diǎn)是它的轉(zhuǎn)換速度特別快，特別適合高速轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。缺點(diǎn)是分辨率不高， 一般都在10位以下；精度較高時(shí)，功耗較大。這主要是受到了電路實(shí)現(xiàn)的影響， 因?yàn)橐粋€(gè)N位的并行轉(zhuǎn)換器，需要個(gè)比較器和分壓電阻，當(dāng)N=10時(shí)，比較器的數(shù)目就會(huì)超過1000個(gè)，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(gòu)成，如圖（4）所示。調(diào)制器的結(jié)構(gòu)近似于雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括1個(gè)積分器和個(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)

11、，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)的參考電壓。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(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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。它具有三個(gè)主要優(yōu)勢： 低價(jià)格、高性能高分辨率，可達(dá)24位以上；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。圖(4)過采樣型AD

12、C原理圖(5)流水線結(jié)構(gòu)ADC流水線結(jié)構(gòu)（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(jià)格），目前廣泛應(yīng)用于視頻信號(hào)處理領(lǐng)域。流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用多個(gè)低精度的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器對采樣信號(hào)進(jìn)行分級量化，然后將各級的量化結(jié)果組合起來，再經(jīng)過數(shù)字校正單元，構(gòu)成一個(gè)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(gòu)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(hào)取樣后先由一個(gè)M位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器對輸入進(jìn)行量化

13、,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)對應(yīng)于量化結(jié)果的模擬電平并送至求和電路,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電路處理。經(jīng)過L級這樣的處理后,最后由一個(gè)的K位A/D轉(zhuǎn)換器對殘余信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述各級A/D的輸出組合起來即構(gòu)成高精度的N位輸出。流水線結(jié)構(gòu)簡化了模數(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；允許流水線各級同時(shí)對多個(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??；很少有比較器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，從根本上消除了閃爍碼和溫度計(jì)氣泡。同時(shí)，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器也存在一些缺

14、點(diǎn)：復(fù)雜的基準(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu)；輸入信號(hào)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(yán)格的鎖存定時(shí)；對工藝缺陷較敏感，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，對印制板布線更敏感。圖(5)流水線結(jié)構(gòu)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(yù)處理電路，同時(shí)得到高位和低位數(shù)據(jù)，信號(hào)預(yù)處理的方法是折疊。折疊就是把輸入較大的信號(hào)映射到某一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這個(gè)數(shù)據(jù)為整個(gè)數(shù)字量的低位數(shù)據(jù)。然后再找出輸入信號(hào)被映射的區(qū)間，該區(qū)間也以數(shù)字量表示，這個(gè)數(shù)據(jù)為整個(gè)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(hào)。實(shí)際的折疊電路是由多個(gè)差分對構(gòu)成的

15、。以低位為5位量化為例，采用4個(gè)折疊電路，那么每個(gè)折疊區(qū)間會(huì)有4個(gè)折疊波，再通過插值的方法，利用8個(gè)電阻分壓產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓，調(diào)節(jié)這4個(gè)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(hào)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(diǎn)是：數(shù)據(jù)的兩次量化是同時(shí)進(jìn)行的，具有全并行轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，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(gè)比較器。折疊插值方式存在的問題是信號(hào)頻率過高時(shí)，有所謂“氣泡”現(xiàn)象產(chǎn)生，需要額外的處理電路；且當(dāng)位數(shù)超過8位時(shí)，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

16、般只用于8位以下的轉(zhuǎn)換器當(dāng)中。圖(6)折疊差值轉(zhuǎn)換ADC原理圖(7)光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（OADC）近幾年，研究人員提出了一種基于光學(xué)延時(shí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其中的一種實(shí)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(fù)率為吉赫茲左右），經(jīng)時(shí)一段光纖的傳輸后，首先經(jīng)過一個(gè)偏振分束器（PBS），然后將偏振光通過一個(gè)WDM器件，將其分成若干個(gè)波長，各個(gè)波長各自通過不同長度的保偏光纖后，由法拉第鏡將各個(gè)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(gè)調(diào)制器對射頻信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣后的脈沖序列再經(jīng)過另一個(gè)WDM器件，將

17、其按波長分配到不同的光路上，實(shí)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(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要D/轉(zhuǎn)換技術(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有以下幾種：(1) 權(quán)電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC權(quán)電阻轉(zhuǎn)換器如圖（8）所示。圖(8 )權(quán)電阻轉(zhuǎn)換器因?yàn)檫\(yùn)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(yùn)放輸入阻抗很大，Ii=0，從而有： 而運(yùn)放的輸出電壓為：權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是電阻的阻值太多，如果是8位轉(zhuǎn)換器需要8個(gè)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(luò)轉(zhuǎn)換DA

18、CR/2R倒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(quán)電阻轉(zhuǎn)換器中電阻值多的缺點(diǎn)。該轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的關(guān)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(jì)算出對應(yīng)各個(gè)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(yùn)放的反相端是虛地，所以實(shí)際上沒有電流流過REQ。由此有電流I： 由此可以得到對應(yīng)數(shù)字量

19、1000的模擬量輸出電壓是： 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

20、肯定是上述4種情況的疊加，這時(shí)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(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖(14)是R/2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。圖中，運(yùn)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(guān)是連接虛地還是真地，流過各個(gè)支路的電流都保持不變。為計(jì)算流過各個(gè)支路的電流，可以把電阻網(wǎng)絡(luò)等效成圖(15)的形式?？梢钥闯?，從A、B、C和D點(diǎn)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(luò)的電流為I=VR/R，而每個(gè)支路電流依次為I/2，I/4，I/8，I/16。各個(gè)支路電流在數(shù)字量D3、D2、D1和D0的控制下流向運(yùn)放的反相端或地，若是數(shù)字量

21、為1，則流入運(yùn)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(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖(15)各個(gè)支路電流的等效網(wǎng)絡(luò)/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用前景隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，也有了長足的進(jìn)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(chǔ)上，還要考慮功耗、體積、便捷、多功能、與計(jì)算機(jī)及通信網(wǎng)絡(luò)的兼容性。主要的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，廣泛應(yīng)用于多媒體、通訊、自動(dòng)化、儀器儀表等領(lǐng)域。采用脈動(dòng)型和折疊型等結(jié)構(gòu)的高速 ADC，可應(yīng)用于廣播衛(wèi)星中的基帶解調(diào)等方面。當(dāng)ADC利用高抽樣率和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將抽樣、量化、數(shù)字信號(hào)處理融為了一體，從而獲得了高精度的 A

22、DC，目前可達(dá) 24 位，主要應(yīng)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(lǐng)域。低電源、低功耗、高速、高精度 A/D和 D /A 轉(zhuǎn)換器是主導(dǎo)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(jìn)雷達(dá)、電子戰(zhàn)和通訊電子系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，如今，模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)變得復(fù)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(jié)構(gòu)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(yùn)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(yīng)用考慮的越來越多，用戶在方案設(shè)計(jì)時(shí)一定要在器件選型上下一些功夫，針對實(shí)