模數(shù)轉(zhuǎn)換原理概述

模數(shù)轉(zhuǎn)換原理概述

近年來，隨著數(shù)字預(yù)處理技術(shù)的發(fā)展和電子產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，模型數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)引起了人們的注意。在現(xiàn)實生活中,聲音、圖像等都屬于模擬信號,這些信號在時間上和幅度上都是連續(xù)的,這樣的信號如果要進(jìn)行傳送、存儲或者計算機處理,首先得通過A/D轉(zhuǎn)換,將模擬的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,然后再進(jìn)行處理。采用最早并且目前應(yīng)用最廣泛的“模-數(shù)轉(zhuǎn)換”方法是脈沖編碼調(diào)制,即PCM,簡稱脈沖調(diào)制。如圖1。1基本原則脈沖編碼調(diào)制是最基本的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理。1.1模擬信號的量化抽樣就是采集樣本或樣值,在時間上對模擬信號按等長或任意間隔進(jìn)行分段,取分段點的信號的電平值,這一系列的信號電平值就是代表模擬信號的抽樣值。用這些離散的抽樣值來替換原來連續(xù)的模擬信號波形的過程稱為抽樣。抽樣時必須滿足奈奎斯特抽樣定理。2.2量化把模擬信號經(jīng)過在時間軸上抽樣后獲得的取樣電平值,用一預(yù)定精度的數(shù)近似地表示的過程叫做量化(quantization)。目前,量化主要有均勻量化和非均勻量化兩種:輸入信號的取值域按等距離分割的量化稱為均勻量化。非均勻量化是根據(jù)信號的不同區(qū)間來確定量化間隔的。實際中,非均勻量化的實現(xiàn)方法是將抽樣值通過壓縮后再進(jìn)均勻量化。2.3編碼編碼就是用n位(bit)的m進(jìn)制數(shù)碼(可以是2進(jìn)制,4進(jìn)制,8進(jìn)制等)表示取樣元的量化值。這是最基本的原理,實際應(yīng)用中,他有很多局限性,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際需要,這就需要對他進(jìn)行改進(jìn),近幾十年,出現(xiàn)了許多新的方案,像對數(shù)量化PCM、自適應(yīng)量化PCM等。這些方案都是在均勻量化PCM的基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展起來的。參閱圖2和表1中的均勻量化PCM。2a/d轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換的,硬件方式和軟件方式。近年來有關(guān)A/D轉(zhuǎn)換器的集成電路(IC)開發(fā)及其應(yīng)用技術(shù)受到人們的普遍關(guān)注,國內(nèi)外許多半導(dǎo)體公司相繼推出了一些不同特點或應(yīng)用功能的A/D芯片,A/D轉(zhuǎn)換集成電路的設(shè)計目標(biāo)是通過單片IC芯片把輸入的模擬電信號轉(zhuǎn)換成脈沖形式的數(shù)字信號輸出,從電路結(jié)構(gòu)上看,當(dāng)前實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能主要有閃爍型、電容積分型、逐次逼近型、流水線型和Σ-△型等。2.1比較器/編碼電路結(jié)構(gòu)閃爍型A/D轉(zhuǎn)換電路采用并行比較結(jié)構(gòu),模擬輸入同時與2N-1個參考電壓比較,只需一次轉(zhuǎn)換就得到N位二進(jìn)制數(shù)量.它的轉(zhuǎn)換時間只受到比較器和編碼電路延遲時間的限制;精度主要取決于電阻串的匹配精度和比較器的失調(diào)電壓.框圖如圖3。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點主要是電路結(jié)構(gòu)最簡單、轉(zhuǎn)換速度最快,精度比較高。缺點是分壓電阻和比較器的數(shù)量與分辨率成指數(shù)關(guān)系,從而導(dǎo)致輸入電容、面積與功耗都非常大;而且比較器的亞穩(wěn)態(tài)和失配均會引起閃爍碼,造成輸出不穩(wěn)定。所以,閃爍型A/D轉(zhuǎn)換電路特別適合超高速但低分辨率的場合,像無線通信,基站等。2.2a/d轉(zhuǎn)換電路電容積分型A/D轉(zhuǎn)換是一種以時間作為中間變量的間接方式的A/D轉(zhuǎn)換方式,結(jié)構(gòu)框圖如圖4。它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,并在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù),從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)點是抗干擾能力較強,主要因為前端使用了積分器,其積分相當(dāng)于對長時間采樣的測量過程求平均值,能抑制高頻噪聲和固定工頻干擾,在增加分辨率的同時減小噪音;并且對電路元器件的精度要求不高,可以用精度比較低的元器件制成精度較高的A/D轉(zhuǎn)換器.缺點是轉(zhuǎn)換時間隨分辨率成指數(shù)增長,轉(zhuǎn)換速度比非積分型器件要慢許多。適合于傳感器、振動分析,數(shù)字儀表等低速精密測量領(lǐng)域,在需要提高轉(zhuǎn)換速度的場合,可以使用多斜率積分型和新穎的基于電流模式的算法等。2.3逐次有效d/d轉(zhuǎn)換電路逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路使用二分搜索算法,結(jié)構(gòu)框圖如圖5。優(yōu)點是占用面積小,復(fù)雜度和功耗通常低于其它類型的A/D轉(zhuǎn)換電路,同時分辨率也較高,且不存在延遲問題。缺點是轉(zhuǎn)換速度慢。主要用于地震數(shù)據(jù)采集,儀器儀表,工業(yè)控制等設(shè)備中。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換電路的性能主要取決于N位D/A轉(zhuǎn)換器.早期的D/A轉(zhuǎn)換器用精密電阻網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn),精度不高;目前多采用的以電容陣列為基礎(chǔ)的電荷重分布型D/A轉(zhuǎn)換器,可以達(dá)到很高的精度,分辨率最高達(dá)到22bite,在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換電路精度可16bit.相對于傳統(tǒng)的二分搜索算法,雙逐次逼近算法、雙抽樣技術(shù)等可以有效地提高轉(zhuǎn)換速度。2.4噪聲衰減特性∑-△型A/D轉(zhuǎn)換則是用過采樣技術(shù)實現(xiàn),結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。Σ-△型A/D轉(zhuǎn)換的突出優(yōu)點是轉(zhuǎn)換精度高,可達(dá)24bit以上.它將過采樣技術(shù)和噪聲整形技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)相結(jié)合來獲得高分辨率和理想的噪聲衰減特性;只需要少量關(guān)鍵的模擬器件,大部分功能都在數(shù)字領(lǐng)域完成,同時降低對元器件匹配精度的要求。但過采樣技術(shù)要求采樣頻率遠(yuǎn)高于輸入信號頻率,限制了輸入信號的帶寬;且隨著過采樣率的增加,功耗會大大增加。因此,這類A/D芯片主要應(yīng)用于音頻、數(shù)據(jù)測量等低頻高分辨率場合。2.5a/d轉(zhuǎn)換電路流水線型A/D轉(zhuǎn)換電路采用多個低分辨率的閃爍型A/D轉(zhuǎn)換電路對采樣信號進(jìn)行分級量化,然后將各級的數(shù)字輸出進(jìn)行延遲和組合校正,產(chǎn)生一個高分辨率的數(shù)字輸出。圖7所示為走級流水線型A/D轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)框圖。這種A/D轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)點是:每級都有獨立的抽樣/保持電路,可以同時對前一級的余量進(jìn)行處理,達(dá)到很高的轉(zhuǎn)換速率;可提高分辨率;能大大降低電路規(guī)模與功耗。缺點是需要復(fù)雜的基準(zhǔn)電路與偏置結(jié)構(gòu);輸入信號必須穿過數(shù)級電路,造成流水線延遲;而各級輸出必須要嚴(yán)格同步;要求50%的占空因數(shù)以及最小的時鐘頻率等。該類型電路適用于數(shù)碼相機,攝像機和醫(yī)療圖像等分辨率較高的場合。硬件實現(xiàn)方式現(xiàn)在已經(jīng)取得了很大的成就,技術(shù)比較成熟,應(yīng)用也比較廣泛,但還需要人們不斷改進(jìn)設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用算法,采用更先進(jìn)的工藝,朝著速度更快,集成度更高,成本和功耗更低的方向發(fā)展。2.6量化log-pcm近年來,許多A/D轉(zhuǎn)換是通過軟件的方式實現(xiàn)的。譬如一些語音芯片對語音信號的處理過程,它是將.wav格式的模擬音頻信號通過一個應(yīng)用程序?qū)⑺D(zhuǎn)化為數(shù)字形式的。當(dāng)然程序的算法可根據(jù)實際需要選擇,比如均勻量化PCM,對數(shù)量化LOG-PCM,自適應(yīng)量化PCM等。像市場上許多用于玩具上的語音芯片的編解碼就是基于LOG-PCM的。編程語言可以用各種計算機語言,如C,C++Java等。由于轉(zhuǎn)換了的數(shù)字信號的數(shù)據(jù)量很大,存儲時往往采用壓縮技術(shù),通常是將模/數(shù)轉(zhuǎn)換和壓縮一起實現(xiàn),也就是編寫一個應(yīng)用程序能同時實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換和壓縮的功能。目前,運用軟件實現(xiàn)方式實現(xiàn)語音芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換,是一種非常高效的方式。雖然編寫程序比較難,但一旦程序?qū)懞昧?實現(xiàn)起來就相當(dāng)容易了。目前,國內(nèi)許多用于玩具上的語音芯片都是通過軟件方式實現(xiàn)語音信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換的,大部分都是基于LOG-PCM編碼技術(shù)的。這種軟件實現(xiàn)方式還有待進(jìn)一步發(fā)展。向著程序更簡單,功能更完善,實現(xiàn)更容易的方向發(fā)展。3a/d轉(zhuǎn)換算法本文介紹了A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,以及常見的幾種實現(xiàn)方式。隨著消費電子、