A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)
現(xiàn)在的軟件無線電、數(shù)字圖像采集都需要有高速的A/D采樣保證有效性和精度，一般的測控系統(tǒng)也希望在精度上有所突破，人類數(shù)字化的浪潮推動(dòng)了A/D轉(zhuǎn)換器不斷變革，而A/D轉(zhuǎn)換器是人類實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的先鋒。
逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。分級(jí)型和流水線型ADC主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號(hào)處理、快速波形存儲(chǔ)與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號(hào)量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域。此外，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。∑-Δ型ADC主應(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。下面對(duì)各種類型的ADC作簡要介紹。
1.逐次逼近型ADC
逐次逼近型ADC應(yīng)用非常廣泛的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方法，它包括1個(gè)比較器、1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)和1個(gè)邏輯控制單元。它是將采樣輸入信號(hào)與已知電壓不斷進(jìn)行比較，1個(gè)時(shí)鐘周期完成1位轉(zhuǎn)換，N位轉(zhuǎn)換需要N個(gè)時(shí)鐘周期，轉(zhuǎn)換完成，輸出二進(jìn)制數(shù)。這一類型ADC的分辨率和采樣速率是相互矛盾的，分辨率低時(shí)采樣速率較高，要提高分辨率，采樣速率就會(huì)受到限制。
優(yōu)點(diǎn)：分辨率低于12位時(shí)，價(jià)格較低，采樣速率可達(dá)1MSPS;與其它ADC相比，功耗相當(dāng)?shù)汀?/div>
缺點(diǎn)：在高于14位分辨率情況下，價(jià)格較高;傳感器產(chǎn)生的信號(hào)在進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行調(diào)理，包括增益級(jí)和濾波，這樣會(huì)明顯增加成本。
2.積分型ADC
積分型ADC又稱為雙斜率或多斜率ADC，它的應(yīng)用也比較廣泛。它由1個(gè)帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器、1個(gè)比較器和1個(gè)計(jì)數(shù)單元構(gòu)成，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(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。
積分型ADC兩次積分的時(shí)間都是利用同一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器來確定，因此所得到的D表達(dá)式與時(shí)鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對(duì)交流噪聲的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。能夠抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾(如50Hz或60Hz)，適合在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用。這類ADC主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。
優(yōu)點(diǎn)：分辨率高，可達(dá)22位;功耗低、成本低。
缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在12位時(shí)為100～300SPS。
3.并行比較A/D轉(zhuǎn)換器
并行比較ADC主要特點(diǎn)是速度快，它是所有的A/D轉(zhuǎn)換器中速度最快的，現(xiàn)代發(fā)展的高速ADC大多采用這種結(jié)構(gòu)，采樣速率能達(dá)到1GSPS以上。但受到功率和體積的限制，并行比較ADC的分辨率難以做的很高。
這種結(jié)構(gòu)的ADC所有位的轉(zhuǎn)換同時(shí)完成，其轉(zhuǎn)換時(shí)間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時(shí)間延遲等。增加輸出代碼對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間的影響較小，但隨著分辨率的提高，需要高密度的模擬設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換所必需的數(shù)量很大的精密分壓電阻和比較器電路。輸出數(shù)字增加一位，精密電阻數(shù)量就要增加一倍，比較器也近似增加一倍。
并行比較ADC的分辨率受管芯尺寸、輸入電容、功率等限制。結(jié)果重復(fù)的并聯(lián)比較器如果精度不匹配，還會(huì)造成靜態(tài)誤差，如會(huì)使輸入失調(diào)電壓增大。同時(shí)，這一類型的ADC由于比較器的亞穩(wěn)壓、編碼氣泡，還會(huì)產(chǎn)生離散的、不精確的輸出，即所謂的“火花碼”。
優(yōu)點(diǎn)：模/數(shù)轉(zhuǎn)換速度最高。
缺點(diǎn)：分辨率不高，功耗大，成本高。
4.壓頻變換型ADC
壓頻變換型ADC是間接型ADC，它先將輸入模擬信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換成頻率與其成正比的脈沖信號(hào)，然后在固定的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)此脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果即為正比于輸入模擬電壓信號(hào)的數(shù)字量。從理論上講，這種ADC的分辨率可以無限增加，只要采用時(shí)間長到滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度即可。
優(yōu)點(diǎn)：精度高、價(jià)格較低、功耗較低。
缺點(diǎn)：類似于積分型ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制，12位時(shí)為100～300SPS。
5.∑-Δ型ADC
∑-Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器，它采用增量編碼方式即根據(jù)前一量值與后一量值的差值的大小來進(jìn)行量化編碼。∑-Δ型ADC包括模擬∑-Δ調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。∑-Δ調(diào)制器主要完成信號(hào)抽樣及增量編碼，它給數(shù)字抽取濾波器提供增量編碼即∑-Δ碼;數(shù)字抽取濾波器完成對(duì)∑-Δ碼的抽取濾波，把增量編碼轉(zhuǎn)換成高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)。因此抽取濾波器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)碼型變換器。
優(yōu)點(diǎn)：分辨率較高，高達(dá)24位;轉(zhuǎn)換速率高，高于積分型和壓頻變換型ADC;價(jià)格低;內(nèi)部利用高倍頻過采樣技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波，降低了對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波的要求。
缺點(diǎn)：高速∑-△型ADC的價(jià)格較高;在轉(zhuǎn)換速率相同的條件下，比積分型和逐次逼近型ADC的功耗高。
6.流水線型ADC
流水線結(jié)構(gòu)ADC，又稱為子區(qū)式ADC，它是一種高效和強(qiáng)大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它能夠提供高速、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;經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，還可以提供優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。
流水線型ADC由若干級(jí)級(jí)聯(lián)電路組成，每一級(jí)包括一個(gè)采樣/保持放大器、一個(gè)低分辨率的ADC和DAC以及一個(gè)求和電路，其中求和電路還包括可提供增益的級(jí)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(jí)電路的采樣/保持器對(duì)輸入信號(hào)取樣后先由一個(gè)m位分辨率粗A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入進(jìn)行量化，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(duì)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關(guān)交下一級(jí)電路處理。經(jīng)過各級(jí)這樣的處理后，最后由一個(gè)較高精度的K位細(xì)A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)殘余信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將上述各級(jí)粗、細(xì)A/D的輸出組合起來即構(gòu)成高精度的n位輸出。
優(yōu)點(diǎn)：有良好的線性和低失調(diào);可以同時(shí)對(duì)多個(gè)采樣進(jìn)行處理，有較高的信號(hào)處理速度，典型的為Tconv100ns;低功率;高精度;高分辨率;可以簡化電路。
缺點(diǎn)：基準(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜;輸入信號(hào)需要經(jīng)過特殊處理，以便穿過數(shù)級(jí)電路造成流水延遲;對(duì)鎖存定時(shí)的要求嚴(yán)格;對(duì)電路工藝要求很高，電路板上設(shè)計(jì)得不合理會(huì)影響增益的線性、失調(diào)及其它參數(shù)。
目前，這種新型的ADC結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于對(duì)THD和SFDR及其它頻域特性要求較高的通訊系統(tǒng)，對(duì)噪聲、帶寬和瞬態(tài)相應(yīng)速度等時(shí)域特性要求較高的CCD成像系統(tǒng)，對(duì)時(shí)域和頻域參數(shù)都要求較高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
確定A/D轉(zhuǎn)換器件在確定設(shè)計(jì)方案后，首先需要明確A/D轉(zhuǎn)換的需要的指標(biāo)要求，包括數(shù)據(jù)精度、采樣速率、信號(hào)范圍等等。
1.確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)在選擇A/D器件之前，需要明確設(shè)計(jì)所要達(dá)到的精度。精度是反映轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出接近理想輸出的精確程度的物理量。在轉(zhuǎn)化過程中，由于存在量化誤差和系統(tǒng)誤差，精度會(huì)有所損失。其中量化誤差對(duì)于精度的影響是可計(jì)算的，它主要決定于A/D轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)可以用分辨率來表示。一般把8位以下的A/D轉(zhuǎn)換器稱為低分辨率ADC，9~12位稱為中分辨率ADC，13位以上為高分辨率。A/D器件的位數(shù)越高，分辨率越高，量化誤差越小，能達(dá)到的精度越高。理論上可以通過增加A/D器件的位數(shù)，無止境提高系統(tǒng)的精度。但事實(shí)并非如此，由于A/D前端的電路也會(huì)有誤差，它也同樣制約著系統(tǒng)的精度。
比如，用A/D采集傳感器提供的信號(hào)，傳感器的精度會(huì)制約A/D采樣的精度，經(jīng)A/D采集后信號(hào)的精度不可能超過傳感器輸出信號(hào)的精度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮系統(tǒng)需要的精度以及前端信號(hào)的精度。
2.選擇A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率在不同的應(yīng)用場合，對(duì)轉(zhuǎn)換速率的要求是不同的，在相同的場合，精度要求不同，采樣速率也會(huì)不同。采樣速率主要由采樣定理決定。確定了應(yīng)用場合，就可以根據(jù)采集信號(hào)對(duì)象的特性，利用采樣定理計(jì)算采樣速率。如果采用數(shù)字濾波技術(shù)，還必須進(jìn)行過采樣，提高采樣速率。
3.判斷是否需要采樣/保持器采樣/保持器主要用于穩(wěn)定信號(hào)量，實(shí)現(xiàn)平頂抽樣。對(duì)于高頻信號(hào)的采集，采樣/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低頻信號(hào)，可以不需要采樣保持器。
4.選擇合適的量程模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大，有時(shí)還有可能出現(xiàn)負(fù)電壓。在選擇時(shí)，待測信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍最好在A/D器件的量程范圍內(nèi)。以減少額外的硬件付出。
5.選擇合適的線形度在A/D采集過程中，線形度越高越好。但是線形度越高，器件的價(jià)格也越高。當(dāng)然，也可以通過軟件補(bǔ)償來減少非線性的影響。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮精度、價(jià)格、軟件實(shí)現(xiàn)難度等因素
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