通信1303張然13211074數(shù)電研討

1、北京交通大學數(shù)字電子技術研究論文A/D轉換電路的外特性研究 分辨率為32位、轉換速度為10ns的A/D轉換電路的設計思路學 院：電信學院專 業(yè)：通信工程學 號：13211074學 生：張然指 導 教 師：任希2015年12月目錄一 A/D轉換的基本原理1二 A/D轉換的過程2三 當前的幾種較為常見的A/D轉換電路的外特性研究23.1積分型A/D轉換器原理及外特性33.2逐次比較型A/D轉換電路的原理及外特性33.3并行比較型A/D轉換電路的原理及外特性43.4 過采樣-型AD轉換電路的原理及外特性43.5流水線型AD轉換電路的原理及外特性43.6幾種AD轉換電路的外特性比較6四 設計一個分辨率

2、為32位、轉換速度為10ns的A/D轉換電路（不計成本）64.1通過對上述A/D轉換電路外特性的研究確定設計思路64.2閃爍型A/D轉換電路的設計思路74.3流水線型A/D轉換電路7五 對其未來發(fā)展的展望10六 總結10A/D轉換電路的外特性研究 分辨率為32位、轉換速度為10ns的A/D轉換電路的設計思路張然北京交通大學電子信息工程學院 通信1303班摘要：本文是設計一個分辨率為32位、轉換速度為10ns的A/D轉換電路（不計成本）提出并行比較型和流水線型電路兩種設計思路。其中主要是從A/D轉換器的原理入手，構建了此電路。同時對A/D領域未來的發(fā)展進行展望。 關鍵字：外特性 流水線型A/D轉

3、換電路 ；并行比較型A/D轉換電路；轉換速度；分辨率Abstract：This paper is to design A resolution for 32-bit, converting speed for 10 ns (ignoring cost) A/D conversion circuit and parallel comparison type pipeline circuit two design train of thought. Mainly from the A/D converter, the principle of this circuit is constructed

4、. At the same time, the paper points out the future development of A/D field.The keyword：External characteristic pipeline A/D conversion circuit；The parallel comparison type A/D conversion circuit；Conversion speed；distinguishability一、A/D轉換的基本原理A/D轉換器是用來通過一定的電路將模擬量轉變?yōu)閿?shù)字量。模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、

5、位移、聲音等非電信號。但在A/D轉換前，輸入到A/D轉換器的輸入信號必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉換成電壓信號。A/D轉換后，輸出的數(shù)字信號可以有8位、10位、12位和16位等。A/D轉換器的工作原理 主要介紹以下三種方法： 逐次逼近法 、雙積分法、電壓頻率轉換法。(1). 逐次逼近法逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉換電路，轉換的時間為微秒級。采用逐次逼近法的A/D轉換器是由一個比較器、D/A轉換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。逐次逼近式A/D轉換器原理框圖逐次逼近法轉換過程是：初始化時將逐次逼近寄存

6、器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉換器，經(jīng)D/A轉換后生成的模擬量送入比較器，稱為 o，與送入比較器的待轉換的模擬量i進行比較，若o<i，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉換器，輸出的 o再與i比較，若o<i，該位1被保留，否則被清除。重復此過程，直至逼近寄存器最低位。轉換結束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。(2)雙積分法采用雙積分法的A/D轉換器由電子開關、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成?；驹硎菍⑤斎腚妷?/p>

7、變換成與其平均值成正比的時間間隔，再把此時間間隔轉換成數(shù)字量，屬于間接轉換。雙積分式A/D轉換的原理框圖雙積分法A/D轉換的過程是：先將開關接通待轉換的模擬量i，i采樣輸入到積分器，積分器從零開始進行固定時間的正向積分，時間到后，開關再接通與i極性相反的基準電壓F，將F輸入到積分器，進行反向積分，直到輸出為0V時停止積分。i越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。計數(shù)器在反向積分時間內所計的數(shù)值，就是輸入模擬電壓i所對應的數(shù)字量，實現(xiàn)了A/D轉換。(3)電壓頻率轉換法采用電壓頻率轉換法的A/D轉換器，由計數(shù)器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成。它的工作原理是/F轉換電路把輸入

8、的模擬電壓轉換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。電壓頻率式A/D轉換原理框圖電壓頻率轉換法的工作過程是：當模擬電壓i加到V/F的輸入端，便產(chǎn)生頻率F與Vi成正比的脈沖，在一定的時間內對該脈沖信號計數(shù)，時間到，統(tǒng)計到計數(shù)器的計數(shù)值正比于輸入電壓Vi，從而完成A/D轉換。二、A/D轉換的過程A/D轉換可分為4個階段：即采樣、保持、量化和編碼。采樣就是將一個時間上連續(xù)變化的信號轉換成時間上離散的信號，考慮到模數(shù)轉換器件的非線性失真、量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，采樣頻率一般取253倍的最高頻率成分。要把一個采樣信號準確地數(shù)字化，就需要將采樣所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。保持是將時間

9、離散、數(shù)值連續(xù)的信號變成時間連續(xù)、數(shù)值離散信號，雖然邏輯上保持器是一個獨立的單元，但是，實際上保持器總是與采樣器做在一起，兩者合稱采樣保持器。圖給出了AD采樣電路的采樣時序圖，采樣輸出的信號在保持期間即可進行量化和編碼。采樣輸出的信號在保持期間即可進行量化和編碼，量化是將時間連續(xù)、數(shù)值離散的信號轉換成時間離散、幅度離散的信號；編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。到此，也就完成了A/D轉換，這些過程通常是合并進行的。三、當前的幾種較為常見的A/D轉換電路的外特性研究速度和精度作為A/D轉換電路的最重要的兩個外部特性，研究不同電路的速度和精度，我們會發(fā)現(xiàn)這兩者之間又有什么內部聯(lián)系呢？3.1積

10、分型A/D轉換器原理及外特性積分型A/D轉換技術是目前最常見的技術，它有單積分和雙積分兩種轉換方式，單積分型A/D轉換電路轉換精度不高，所以現(xiàn)在已經(jīng)基本被淘汰。雙積分型A/D轉換電路通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔。 積分型A/D轉換器與此同時，在此時間間隔內利用計數(shù)器對 時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn)A/D轉換;雙積分型轉換器通過對模擬輸入信號的兩次積分，部分抵消了由于斜坡發(fā)生器所產(chǎn)生的誤差，提高了轉換精度。雙積分型轉換方式的外特性表現(xiàn)為精度較高，轉換速度慢，能夠大幅抑止高頻噪聲。雙積分型轉換方式是一種將模擬量轉化為時間量，再從時間量轉化為數(shù)字量的間接轉換方式，并且由

11、于積分電路的響應是輸入信號的平均值，所以它具有較強的抗干擾能力，另外在兩次積分內，只要RC元件參數(shù)不發(fā)生瞬變，轉換結果 就與RC無關，故分辨率相對較高，最高可以達到22位。由于積分電容的作用，能夠大幅抑止高頻噪聲，是的電路的抗干擾能力強。但是，正是由于它是一個以時間量作為中間變量的電路，故當分辨率的要求增加時，其轉換的時間必然會增加，故要提高其轉換速度必然會犧牲精度。目前每秒100-300次(SPS)對應的轉換精度為12位。所以這種轉換方式主要應用在低速高精度的轉換領域，如數(shù)字儀表領域。3.2逐次比較型A/D轉換電路的原理及外特性逐次比較型A/D轉換器的工作原理可以用天平測量質量來比較，設被測

12、物的質量在量程內，根據(jù)優(yōu)選法，先去最大的砝碼（相當于滿量程的一半），看天平如何傾斜，已決定該砝碼的去留；然后依次取四分之一量程，八分之一量程等的砝碼，最終可以以最小砝碼逼近被測質量。類似的，它是將需要進行轉換的模擬信號與已知的不同 逐次比較型A/D轉換器的參考電壓不斷進行比較，1個時鐘周期完成1位轉換，N位轉換需要N個時鐘周期，轉換完成，輸出二進制數(shù)。逐次比較型A/D轉換電路的外特性表現(xiàn)為轉換速度中等，精度較高，輸入帶寬較低。由其轉換電路的原理可知，其分辨率要求越高，則所需要的時鐘周期就越多，故分辨率分辨率和轉換速率是矛盾的，要提高分辨率就必然犧牲轉換速率。由于該電路中有數(shù)模轉換器，故當精度要

13、求不斷提高時就需要相應分辨率的模數(shù)轉換器，而這相對難于實現(xiàn)，所以其分辨率的高也是在一個相對的范圍內。當分辨率低于12位時價格低，采樣速率可達1MSPS。故其適用于中速率而分辨率要求相對較高的場合，并且與其它A/D相比，功耗相當?shù)汀?.3并行比較型A/D轉換電路的原理及外特性并行比較器也稱Flash（閃爍型） ADC，是一種最便于理解，最直接并且是當前速度最快的轉換方案。它主要由電阻分壓網(wǎng)絡、比較器、編碼器等組成。 并行比較型A/D轉換器這種A/D轉換器速度是最快的，由于轉換是并行的，其轉換時間只受比較器、觸發(fā)器和編碼電路延遲時間限制，因此它在所有電路中轉換速度是最快的，但是由于本身的結構特點，

14、如比較器數(shù)量較多，當分辨率為N時，需要用到2的N次方減1個比較器，以及比較器數(shù)量的兩倍的電阻網(wǎng)絡，并且大量的比較器會是的電路之間出現(xiàn)匹配誤差，導致分辨率不高，功耗大，成本高，所以只適用于速度要求特別高的領域.如視頻A/D轉換器等。就現(xiàn)階段其轉換速度一般在125Msps- 10Gsp(四位并行)之間; 由于受到功率和體積的限制，并行比較ADC的分辨率難以做得很高。3.4 過采樣-型AD轉換電路的原理及外特性過采樣-模數(shù)轉換是近十幾年發(fā)展起來的一種A/D轉換方式，-調制型A/D轉換器又稱為過采樣A/D轉換器，它的分辨率高，主要應用于高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器、聲納等

15、電子測量等領域。過采樣 過采樣-型AD轉換器原理-型ADC由-調制器和數(shù)字抽取濾波器兩部分構成,其結構如圖所示-調制器主要完成信號抽樣及增量編碼，它給數(shù)字抽取濾波器提供增量編碼即-碼;數(shù)字抽取濾波器完成對-碼的抽取濾波，把增量編碼轉換成高分辨率的線性脈沖編碼調制的數(shù)字信號。-模數(shù)轉換的主要特點是轉換的精度很高，高于積分電路，內部利用高倍頻過采樣技術，實現(xiàn)了數(shù)字濾波，由于采用了過采樣調制、噪音成形和數(shù)字濾波等關鍵技巧，充分發(fā)揚了數(shù)字和模擬集成技術的長處，使用很少的模擬元件和高度復雜的數(shù)字信號處理電路達到高精度(16位以上);模擬電路僅占5%，大部分是數(shù)字電路，并且，模擬電路對元件的匹配性要求不高

16、，易于用CMOS技術實現(xiàn)。但由于其采樣頻率過高，所以相對于其他電路來說功耗較高，并且，其速度也不快，-轉換方式的轉換速率一般在1Msps以內。3.5流水線型AD轉換電路的原理及外特性流水線型A/D轉換器的原理是將高的分辨率分級處理，以八位舉 例。將其分成兩級，先對高四位進行 處理，輸將高四位的結果暫存，并對其進行數(shù)模轉 流水線型AD轉換器換，再將輸入的模擬信號與其相減，對其所得到的結果放大2的4次方倍，送入下一級進行處理，由于流水線結構是對信號進行分級串行處理，因此它具有不可消除的延時性，即每級的數(shù)字量輸出是逐級延遲的。 每級電路的內部結構 延時同步電路的作用就是把同一個輸入模擬量經(jīng)過n級子級

17、電路量化后對應的數(shù)字輸出進行同步，然后輸出完整的數(shù)字結果。每一級包括一個采樣/保持放大器、一個低分辨率的ADC和DAC以及一個求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級間放 大器。 流水線型A/D轉換電路的外特性表現(xiàn)為轉換速度很高，僅次于并行，精度也很高，成本相對較低，功耗較低。是對并行轉換方式進行改進而設計出的一種轉換方式。它在一定程度上既具有并行轉換高速的特點，又具有逐次逼近型結構簡單的特點，從而解決了制造困難的問題。它能夠提供高速、高分辨率的A/D轉換，還有令人滿意的低功耗和較小的芯片尺，經(jīng)過合理的設計，還可以提供優(yōu)異的動態(tài)特性。以下是流水線型A/D轉換電路的優(yōu)缺點圖9 流水型A/D轉換

18、器的優(yōu)缺點3.6幾種AD轉換電路的外特性比較電路類型轉換速度分辨率應用并行比較型A/D轉換速度最快一般在125Msps- 10Gsp受到功率和體積的限制分辨率難以做得很高適用于速度要求特別高的領域.如視頻A/D轉換器等流水線型A/D轉換具有很高的轉換速度1Msps-100 Msps分辨率較高可達16位用于成像系統(tǒng)可實現(xiàn)高分辨率、高品質的圖像采集;優(yōu)異的頻域和時域特性也能夠滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。逐次比較型A/D轉換轉換速度中等采樣速率可達1MSPS分辨率一般低于12位，高于14位的成本較高難于實現(xiàn)在低于12位分辨率的情況下，電路實現(xiàn)上較其他轉換方式成本低，較為常用過采樣-模數(shù)轉換轉換速率一

19、般在1Msps以內分辨率極高，最高達到28位以上目前在音頻領域得到廣泛的應用積分型A/D轉換速度最低當分辨率為12時100-300(SPS)分辨率相對較高，最高可以達到22位主要應用在低速高精度的轉換領域，如數(shù)字儀表領域四、設計一個分辨率為32位、轉換速度為10ns的A/D轉換電路（不計成本）4.1通過對上述A/D轉換電路外特性的研究確定設計思路最高位高電平檢測剛剛我們已經(jīng)研究了幾種A/D轉換電路外特性，速度和精度作為A/D轉換電路的核心性能指標，在大多數(shù)情況下兩者是對互相矛盾的產(chǎn)物，很多時候我們需要進行取舍，如積分型，逐次比較型電路，過采樣型電路，當分辨率要求較高的時候就必然要犧牲速度，然而

20、今天我們試著分析一下要求，不難發(fā)現(xiàn)很多時候就算再不記成本，此類電路，由于電路自身的特點，或存在積分環(huán)節(jié)，或分辨率與時間量成正比，當分辨率要求較高時根本無法達到高速，因此我們今天設計一個轉換精度為32位、轉換速度為10ns的A/D轉換電路必然是在選取一個相對高速的方式下，盡可能地提高其分辨率。并行A/D轉換電路是速度最快的轉換電路，其目前精度不高主要是由于成本，體積，功耗等現(xiàn)實層面問題，而流水線型A/D轉換電路作為并行的一種優(yōu)化，并且存在錯誤校正環(huán)節(jié)，在高速的前提之下，可以實現(xiàn)高精度，它由于分級思想，可以處理同時處理多個模擬量，提高了效率。通過上述研究，我們確立了基本的兩條主線思路4.2閃爍型A

21、/D轉換電路的設計思路閃爍型A/D轉換電路的設計思路非常簡單，就是運用2的32次方減一個比較器以及比較器數(shù)量的2倍的電阻，在忽略體積的前提下問題來了，如此多數(shù)量的比較器意味著需要對其進行編碼，其復雜的編碼過程， 以及其如此多輸入帶來的延時問題使得實際的時間遠遠大于10ns ，首先要克服的是時間上的問題，其實 圖10 并行比較型A/D轉換器設計思路如果我們換一種思路，放棄其原有的復雜編碼過程而采用一種最高高電平檢測的方法，因為我們發(fā)現(xiàn)我們的輸出有效的其實就是所有高電平中最高的一位，按照這個思路來走，只要我們設計一個電路可以快速檢測最高高電平，那么我們發(fā)現(xiàn)理論上可以解決復雜編碼帶來的時間延遲。除去

22、編碼問題之外，其還存在一些其他方面現(xiàn)階段不可行的問題。如此多結構重復的并行比較器之間任何失配都會造成靜態(tài)誤差，比較器的亞穩(wěn)態(tài)還會產(chǎn)生閃爍碼溫度計氣泡，即使這些問題都可以通過高成本來避免，但是，當比較器的數(shù)量增加時，對于比較器的分辨能力也有要求，如果比較器不能夠分辨2的32次方精度的兩個數(shù)，即使運用如此多的比較器在現(xiàn)實層面也是無法真正比較出來的，因此該思路可以作為提高其速度和精度的一個方向，在理論上如果忽略一切誤差，假設比較器精度極高的話是可行的。但是就現(xiàn)階段即使不計成本也難于實現(xiàn)。4.3流水線型A/D轉換電路流水線的設計思路其實是一種分級的思想，將32位分成幾級，然后逐級進行處理。我們試著將電

23、路分成四級，則每級需要得出八位數(shù)字量，我們不妨模擬一下此類電路的框圖架構，如圖12所示，當處理的模擬量數(shù)量不斷增加時，雖然單次處理的時 圖11 流水線型AD轉換器原理間可能高于10ns，但是只要確保每一級電路的時間在10ns左右就可以是的平均用時在10ns左右。 32為分辨率的四級設計思路方案一： 我對于現(xiàn)在市面上已有的芯片進行比較， ADI推出的8位、高速、低功耗、低噪聲 ADC（模數(shù)轉換器）AD9286比較合適，該高速 ADC 均采用流水線架構，310 mW 的功耗創(chuàng)業(yè)界最低水平。AD9286是一款8位單芯片采樣模數(shù)轉換器(ADC)，支持交錯工作模式，專門針對低成本、低功耗和易用性進行了優(yōu)

24、化。各ADC的轉換速率高達250 MSPS，動態(tài)性能卓越。AD9286采用單個采樣時鐘，通過片內時鐘分頻器，使兩個ADC內核實現(xiàn)時間交錯 AD9286的功能框圖（每個內核的工作頻率為時鐘頻率的一半），從而達到額定值500 MSPS。右邊是原件的功能框圖 由于運用流水線式結構，所以我們還需要相應的數(shù)模轉換轉換芯片，目前八位的DAC芯片ADV7125吞吐量可達330 MSPS，那么單次處理時間大約在3ns左右，因為該芯片是三通道的，故四級電路中僅需要運用到一片該芯片。 ADV7125的功能框圖在選取好芯片之后，我們可以開始下一步的設計了。 電路原理圖忽略數(shù)模變換以及放大時間，則處理一個模擬量的時間

25、為17ns，在經(jīng)過鎖存器以及數(shù)字誤差校正環(huán)節(jié)，而實際上當處理多個模擬量時，同時轉換為數(shù)字量的時間在5-10ns之間，那么加上后期電路，完全可以實現(xiàn)32位分辨率，10ns轉換速度。方案二：在有了這樣一個思路后，我又希望用市面上已有的16位模數(shù)轉換芯片，做成一個兩級的流水式模數(shù)轉換電路，ADI推出業(yè)界速度最快的16位ADC（模數(shù)轉換器）-250MSPS（兆每秒采樣）AD9467。與其它16位數(shù)據(jù)轉換器相比，這款16位、250MSPSADC可在能耗降低35%的情況下將采樣率提高25%，其信號處理性能達到新的高度，該芯片處理16位的時間為4ns，而目前最快的16位數(shù) 電路原理圖模轉換芯片AD9142是

26、一款雙通道、16位、高動態(tài)范圍數(shù)模轉換器(DAC)，提供1600 MSPS采樣速率，這樣的話單次處理時間僅為0.6ns，這樣的話兩級電路處理一個模擬量的時間為8.6ns，再加上鎖存器以及數(shù)字誤差校正環(huán)節(jié)，這樣的話多次處理時間完全可以達到 10ns。對于兩種方案進行比較，我們發(fā)現(xiàn)兩級流水線電路處理的速度更快，并且只有兩級，后期的處理工程也會相對簡便一些，就性能而言，第二種設計方案更加優(yōu)越。 因此對于流水線法而言，雖然單次的處理時間不能夠達標，但是多次的處理平均時間可以實現(xiàn)，在不斷提高各級電路的速度的情況下，還能對其優(yōu)化，流水線法的巧妙在于運用分時復用的原理，在提高效率的同時，又不會增加高額的成本，相對來說現(xiàn)實可行。五、對其未來發(fā)展的展望首先第一點是向高分辨率，高精度，高速率方向發(fā)展。利用兩個或多個較低分辨率的閃電型ADC組合起來，形成流水線ADC。這種類型的轉換器既具有高的分辨率,又有很高的轉換速率；通過采用激光修正技術、自校正技術和統(tǒng)計匹配技術, 使數(shù)據(jù)轉換電路的分辨率和精度得到進一步的提高. 從目前來看， 新的