數電研討--ADDA轉換的外特性研究

1、數電研討高性能a/d與d/a轉換電路的外特性研究班級：姓名：學號：指導老師:2015-12目錄弓|言3摘要3abstract3一、a/d轉換的基本原理 4二、a/d轉換的過程-4三、幾種較為常見的 a/d轉換電路的外特性研究 53.1 逐次比較型 a/d轉換電路的原理及外特性 53.2 積分型a/d轉換器原理及外特性63.3 并行比較型a/d轉換電路的原理及外特性 73.4 過采樣2-型ad轉換電路的原理及外特性 83.5 流水線型ad轉換電路的原理及外特性 103.6 幾種ad轉換電路的外特性比較 12四、a/d轉換電路的設計124.1 確定設計思路134.2 并行比較型a/d轉換電路的設計

2、思路 134.3 流水線型a/d轉換電路 15五、未來發(fā)展展望1921六、總結20七、參考文獻引言人類社會正在步人信息時代，而信息時代的一個重要標志就是數 字化。得益于計算機技術的發(fā)展，數字信號處理起來要比模擬信號方 便得多，人們更愿意將模擬信號轉換成數字信號來處理。作為數字信 號和模擬信號之間的橋梁，a/d轉換器當仁不讓成為數字化的核心。摘要本文從基本原理，轉換過程，實現技術和發(fā)展趨勢等幾個方面來 介紹a/d轉換電路，研究了幾種a/d轉換電路電路的外特性，并且基 于研究結果和分析對設計一個分辨率為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

3、，并對其未來進行展望。關鍵詞：外特性 流水線型a/d轉換電路 并行比較型a/d轉換電路 轉 換速度分辨率abstractcomparison type andthis paper introduces a/d conversion circuit from four parts, which are the fundamental principles, the process of conversion, the technologies and the future of a/d conversion. based on the differences between several ci

4、rcuits, we design a resolution for 32-bit, converting speed of 10 ns a/d conversion circuit in parallel pipeline type. mainly from the a/d converter, the principle of this circuit is constructed. at the same time, the paper points out the future development of a/d field.keywords: external characteri

5、stics, pipeline a/d conversion circuit, parallel comparison a/d circuit, conversion speed, the ratio of resolution一、a/d轉換的基本原理a/d轉換的過程是將模擬輸入信號轉換成n位二進制數字輸出信號的過程。模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、 濕度、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，輸出的數字信號可以有 8位、10位、12位和16位等。二、a/d轉換的過程要把模擬量轉化為

6、數字量一般要經過四個步驟，分別稱為采樣、 保持、量化、編碼。舞獸采樣保持量化a編碼 l時間離散化幅值離散化圖2-1 a/d轉換的過程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2. 53倍的最高頻率成分。保持是將時間離散、數值連續(xù)的信號變成時間連續(xù)、數值離散信號，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。量化是指將采樣-保持后的信號幅值轉化 成某個最小數量單位（量化間隔）的整數倍，將連續(xù)的模擬電壓近似 成分散的量化電平。編碼是將量化后的信號編碼

7、成二進制代碼輸出。到此，也就完成了 a/d轉換。采樣輸出的信號在保持期間即可進行量 化和編碼，也就是說，這些過程通常是合并進行的。三、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，這一部 分中我們會對幾種不同的 a/d轉換電路進行分析和比較。3.1 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轉換電路主要由采樣保持電路（s&h）、d/a轉換 器、比較器、逐次逼近寄存器（sar）、時序及其他控制電路組成，其核 心是d/a轉換器和比較器。逐次逼近轉換過程和用天平稱物重非常相似。天平稱重物過程 是，從最重的祛碼開始試放，與被稱物體行進比

8、較，若物體重于祛碼， 則該祛碼保留，否則移去。再加上第二個次重祛碼，由物體的重量是 否大于祛碼的重量決定第二個祛碼是留下還是移去。照此一直加到最 小一個祛碼為止。將所有留下的祛碼重量相加，就得此物體的重量。 仿照這一思路，逐次比較型a/d轉換器，就是將輸入模擬信號與不同 的參考電壓作多次比較，使轉換所得的數字量在數值上逐次逼近輸入 模擬量對應值。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。逐次比較型a/d轉換電路的外特性表現為轉換速度中等， 精度較 高，輸入帶寬較低。當分辨率要求越高時，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

9、必然犧牲轉換 速率。當精度要求不斷提高時就需要相應分辨率的模數轉換器，而這相對難于實現，故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所以適用于中速率而分 辨率要求相對較高的場合，并且與其它 a/d相比，功耗相當低。3.2 積分型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，所以現在已經 基本被淘汰。雙積分型a/d轉換電路對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數器測出此時間間隔， 進而得到相應的數字

10、量輸出。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) 生器所產生的誤差，提高了轉換精度。圖3-2雙積分型a/d轉換電路原理雙積分型轉換方式的外特性表現為精度較高，轉換速度慢，能夠大幅抑止高頻噪聲。由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，使得電 路的抗干擾能力強。但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。所以這種轉換方式主要 應用在低速高精度的轉換領域，如

11、數字儀表領域。3.3 并行比較型a/d轉換電路的原理及外特性并行比較型a/d轉換器由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器及編碼器組成tn軾先筠碼就d2 (圖3-3并行比較型a/d轉換電路原理由于轉換是并行的，其轉換時間只受比較器、觸發(fā)器和編碼電路 延遲時間的限制，因此轉換速度最快。隨著分辨率的提高，元件數目 要按幾何級數增加，大量的比較器會使得電路之間出現匹配誤差， 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勺分辨率難以做得很高。3.4

12、過采樣2 -a型ad轉換電路的原理及外特性e-aa/d轉換器總體上來說由e-a調制器（又稱增量調制器） 和數字抽取濾波器組成。e-aa/d轉換器是一種低速高精度的過采 樣ad轉換器，在過去的幾十年中，主要應用于音頻和部分視頻頻段的信號處理中。如圖1所示，a/d轉換器的量化過程即是用一等間隔階梯波函數x1 t去逼近一時間連續(xù)函數的波形 x t 。傳統(tǒng)原理的a/d轉換 器（例如逐次比較型a/d轉換器）的量化是等時間間隔at對連續(xù)波 形采樣，進行幅度量化。圖3-4連續(xù)波形量化過程過采樣2 - 型adc由2 - 調制器和數字抽取濾波器兩部分構 成。2-調制器主要完成信號抽樣及增量編碼，它給數字抽取濾波

13、 器提供增量編碼即2-碼;數字抽取濾波器完成對2-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字信號。2-模數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，實現了數字濾波，由于采用了過采樣調 制、噪音成形和數字濾波等關鍵技巧，充分發(fā)揚了數字和模擬集成技 術的長處，使用很少的模擬元件和高度復雜的數字信號處理電路達到 高精度（16位以上），并且，模擬電路對元件的匹配性要求不高，易 于用cmo破術實現。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，2-轉換方式的轉換速率一般在imsps以內3.5 流水線型ad轉換電路的原理及

14、外特性流水線型ad轉換電路由若干級電路串聯(lián)組成，每一級包括一個 采樣/保持放大器、一個低分辨率的 adcffi 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。 快速精確的n位轉換 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位分辨率的粗adc對輸入進行量 化， 接著用一個至少n位精度的乘積型數模轉換器 mdact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。經過各級這樣的處理后，最后由一個較高精度的k位細adc寸 殘余信號進行轉換。將上

15、述各級粗、細adc勺輸出組合起來即構成高 精度的n位輸出。同位數學地出圖3-5流水線型a/d轉換器原理圖圖3-6每級內部結構圖流水線型a/d轉換電路的外特性表現為轉換速度很高，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。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，經過合理的設計，還可以提供優(yōu)異的動態(tài)特性。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帛交型a d轉換速度最快一般在 125

16、msp5 logsp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密專操器等.水線型專換具有很高的轉換速度lmsps-100msps分辨率豐交高可達16位用于成像系統(tǒng)可實現高 分辨率,高品質的圖像采集； 優(yōu)異的頻域和時域特性也能 夠滿足高速數據采集系統(tǒng)的 要求。逐次比莪型ad轉換f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在低于12位分褥率的情 況卜,電路實現上被其他轉 換方式成本低，較為常用過采樣轉換速率一般分辯率極目前在音頻領域得到廣£ 一模數轉換在1m叩£以內高.最高達到2g位泛的應用積分型速度最

17、低當分分辨率相對主要應用在低速高精度a'd轉換辨率為12時較高，最高口1以達的轉換瓠域，如數字儀表領100-300(sps)到22位域四、a/d轉換電路的設計要求設計一個分辨率為32位、轉換速度為10ns的a/d轉換電路4.1 確定設計思路我們已經研究了幾種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，在大多數情況下兩者是對互相矛盾的產 物，很多時候我們需要進行取舍。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，

18、功耗等現實層面問題，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 并行比較型a/d轉換電路的設計思路圖4-1并行比較型設計原理圖閃爍型a/d轉換電路的設計思路就是運用2的32次方減一個比較器以及比較器數量的2倍的電阻，即使在忽略體積的前提下，如此 多數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大于10ns ,首先要克服的是時間上的問題，其實，如果我們換一種思路，放棄其

19、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)現理論上可以解決復雜編碼帶來的時間延遲。除去編碼問題之外，其還存在一些其他方面現階段不可行的問 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， 即使運用如此多的比較器在現實層面也是無法真正比較出來的，因此該思路可

20、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。 但是就現階段即使不計 成本也難于實現。4.3 流水線型a/d轉換電路第1位第i位出字）第n位（nh5）圖4-2流水線型原理圖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。我們將電路分成四級，則每級需要得出八位數字 量，我們不妨模擬一下此類電路的框圖架構， 當處理的模擬量數量不 斷增加時，雖然單次處理的時間可能高于 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。方案一：ad9286是一款8位單芯片采樣模數轉換器（adc）,支持交

21、錯工作 模式，專門針對低成本、低功耗和易用性進行了優(yōu)化。各 adc勺轉換 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 內核實現時間交錯（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利用spi,用戶可以精確地調整各 adcw羊 沿的時序，盡可能降低圖像的雜散能量。該 ad求采用1.8 v單電 源供電及編碼時鐘信號，以便充分發(fā)揮其工作性能。許多應用都無需 外部基準源器件。數字輸出兼容lvdsad928壞用48引腳無鉛lfcspmi-vcm07- (mml d7- (msbivwf&elictr¥

22、wi-yftl*clk* i clk-soiqr pwdm cab klk oeauxcilm- ayxclk*ffljim auscglmtn«vdd dhvd口 dfikimdcl&tkmanage h% nt.h 11封 裝，額定溫度范圍為-40 c至+85° c工業(yè)溫度范圍blank synctg7：iudatariicilsti rb7：b0datarrcijshrpsatclockpower-downmodevoltagereferencecijtcuyradv7125圖4-3 ad9286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模轉換轉換芯

23、片，目前八位的dacs片adv712解吐量可達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b5nk andsync logicr7：r0mund comp圖4-4 adv7125功能框圖電路原理圖如下:數字錯誤校正和輸出鎖存器ftk與幗的,d2j d16章二磯存計總相翼alji大 n掾用蹇相s與相mrd7- do.adv7125圖4-5方案一電路原理圖忽略數模變換以及放大時間，則處理一個模擬量的時間為17ns,在經過鎖存器以及數字誤差校正環(huán)節(jié)，而實際上當處理多個模擬量 時，同時轉換為數字量的時間在 5-10ns之間，那么加上后期電

24、路， 完全可以實現32位分辨率，10ns轉換速度。方案二：在方案二中，我們希望用市面上已有的16位模數轉換芯片，做成一個兩級的流水式模數轉換電路。 adi推出業(yè)界速度最快的16位 adc（模數轉換器）-250msps （兆每秒采樣）ad9467（如圖所示）。 與其它16位數據轉換器相比，這款16位、250mspsadc在能耗降 低35%勺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位數模轉換芯片 ad9142是一款雙通道、16位、高動態(tài)范圍數模轉換器（dac）,提供 1600 msp系樣速率，這樣的話單次處理時間僅為 0.6ns,這樣的

25、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10nsfunctional block diagramagmd avuo1 avd02 avdo3 spwd© (nmx) dagnddunkxvref圖4-6 ad9467功能框圖數字錯誤校正和輸出鎖存器ad9142-aww邦夫圖4-7方案二電路原理圖對于兩種方案進行比較，我們發(fā)現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

26、以實現， 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 說現實可行。五、未來發(fā)展展望當前，數字處理系統(tǒng)正在飛速發(fā)展，在視頻領域，高清晰度數字 電視系統(tǒng)（hdtv）的出現，將廣播電視推向了一個更高的臺階，hdtv的分辨率與普通電視相比至少提高了 一倍。在通信領域，過去無線通信系統(tǒng)的設計都是靜態(tài)的，只能在規(guī)定范圍內的特定頻段上使用專用 調制器、編碼器和信道協(xié)議。而軟件無線電技術 （sdr）能更加靈活、 有效地利用頻譜，并能方便地升級和跟蹤新技術，大大地推動了無線 通信系統(tǒng)的發(fā)展。在高精度測量領域，高級儀表的分辨率在不斷提高， 電流到達wa量級，電壓到達mv®至更低；在音頻領域，各種高性能 專業(yè)音頻處理設備不斷涌現，如 dvd-audio和超級音頻cd（sacd） 它們能處理更高質量的音頻信號。為了滿足數字系統(tǒng)的發(fā)展要求，a/d轉換器的性能也必須不斷提 高，它將主要向以下幾個方向發(fā)展：