幾種模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的分析比較

引言
??? 模數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為N位二進制數(shù)字輸出信號的技術(shù)。采用數(shù)字信號處理能夠方便實現(xiàn)各種先進的自適應(yīng)算法，完成模擬電路無法實現(xiàn)的功能，因此，越來越多的模擬信號處理正在被數(shù)字技術(shù)所取代。與之相應(yīng)的是，作為模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間橋梁的模數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用日趨廣泛。為了滿足市場的需求，各芯片制造公司不斷推出性能更加先進的新產(chǎn)品、新技術(shù)，令人目不暇接。本文就幾種最為常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)進行分析比較。

1 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編程四個過程。采樣就是將一個連續(xù)變化的信號x(t)轉(zhuǎn)換成時間上離散的采樣信號x(n)。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，對于采樣信號x(t)，如果采樣頻率fs大于或等于2fmax（fmax為x(t)最高頻率成分），則可以無失真地重建恢復(fù)原始信號x（t）。實際上，由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器器件的非線性失真，量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，采樣速率一般取fs=2.5fmax。通常采樣脈沖的寬度tw是很短的，故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個采樣輸出信號數(shù)字化，需要將采樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時間、離散幅度的數(shù)字信號，量化的主要問題就是量化誤差。假設(shè)噪聲信號在量化電平中是均勻分布的，則量化噪聲均方值與量化間隔和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗值有關(guān)。編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。這些過程有些是合并進行的，例如，采樣和保持就利用一個電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程同時實現(xiàn)的，且所用時間又是保持時間的一部分。實現(xiàn)這些過程的技術(shù)有很多，從早在上世紀(jì)70年代就出現(xiàn)的積分型到最新的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，種類繁多。由于原理的不同，決定了它們性能特點的差別。

1.1 積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器稱雙斜率或多斜率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，是應(yīng)用最為廣泛的轉(zhuǎn)換器類型。典型的是雙斜率轉(zhuǎn)換器，我們就以其為例說明積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理。雙斜率轉(zhuǎn)換器包括兩個主要部分：一部分電路采樣并量化輸入電壓，產(chǎn)生一個時域間隔或脈沖序列，再由一個計數(shù)器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，如圖1所示。

??? 雙斜率轉(zhuǎn)換器由1個帶有輸入切換開關(guān)的模擬積分器、1個比較器和1個計數(shù)單元構(gòu)成。積分器對輸入電壓在固定的時間間隔內(nèi)積分，該時間間隔通常對應(yīng)于內(nèi)部計數(shù)單元的最大地數(shù)。時間到達后將計數(shù)器復(fù)位并將積分器輸入連接到反板性（負）參考電壓。在這個反極性信號作用下，積分器被“反向積分”直到輸出回到零，并使計數(shù)器終止，積分器復(fù)位。

積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速度和帶寬都非常低，但它們的精度可以做得很高，并且抑制高頻噪聲和固定的低頻干擾（如50Hz或60Hz）的能力，使其對于嘈雜的工業(yè)環(huán)境以及不要求高轉(zhuǎn)換速率的應(yīng)用有用（如熱電偶輸出的量化）。

1.2 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

逐次逼近型轉(zhuǎn)換器包括1個比較器、1個數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個逐次逼近寄存器（SAR）和1個邏輯控制單元，如圖2所法。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：啟動轉(zhuǎn)換后，控制邏輯電路首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其它位置0，逐次逼近寄存器的這個內(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。這個電壓值在比較器中與輸入信號進行比較。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行修正。在邏輯控制電路的時鐘驅(qū)動下，逐次逼近寄存器不斷進行比較和移位操作，直到完成最低有效位（LSB）的轉(zhuǎn)換。這時逐次逼近寄存器的各位值均已確定，逐次逼近轉(zhuǎn)換完成。

由于逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器在1個時鐘周期內(nèi)只能完成1位轉(zhuǎn)換。N位轉(zhuǎn)換需要N個時鐘周期，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)點是原理簡單，便于實現(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。

1.3 閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

與一般模數(shù)轉(zhuǎn)換器相比，閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器速度是最快的。由于不用逐次比較，它對N位數(shù)據(jù)不是轉(zhuǎn)換N次，而是只轉(zhuǎn)換一次，所以速度大為提高。圖3所示為N位閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理。轉(zhuǎn)換器內(nèi)有一定參考電壓，模擬輸入信號被同時加到2N-1個鎖存比較器。每個比較器的參考電壓由電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的分壓器引出，其參考電壓比下一個比較器的參考電壓高一個最低有效位。當(dāng)模擬信號輸入時，風(fēng)參考電壓比模擬信號低的那些比較器均輸出高電平（邏輯1），反之輸出低電平（邏輯0）。這樣得到的數(shù)碼稱之為溫度計碼。該碼被加到譯碼邏輯電路，然后送到二進制數(shù)據(jù)輸出驅(qū)動器上的輸出寄存器.

盡管閃爍型轉(zhuǎn)換器具有極快的速度（最高1GHz的采樣速率），但其分辨率受限于管芯尺寸、過大的輸入電容以及數(shù)量巨大的比較器所產(chǎn)生的功率消耗。結(jié)構(gòu)重復(fù)的并行比較器之間還要求精密地匹配，因此任何失配都會造成靜態(tài)誤差，如使輸入失調(diào)電壓（或電流）增大。

閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器還易產(chǎn)生離散的、不確定的輸出，即所謂的“閃爍碼”。閃爍碼主要有兩個來源：2N-1個比較器的亞穩(wěn)態(tài)及溫度計編碼氣泡；不匹配的比較器延遲會使邏輯1變?yōu)檫壿?（或反之），如同溫度計中出現(xiàn)了一個氣泡。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的編碼單元無法識別這種錯誤，經(jīng)過編碼后的輸出同樣會出現(xiàn)“閃爍”。

閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的另外一個考慮因素是管芯尺寸。一個8位閃爍型轉(zhuǎn)換器比同等位數(shù)的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器要大將近7倍。如果與流水線結(jié)構(gòu)作進一步的比較，閃爍型轉(zhuǎn)換器的輸入電容和功率消耗分別要高出6倍和2倍。

1.4 ∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

∑- Δ轉(zhuǎn)換器又稱為過采樣轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器由∑-Δ調(diào)制器及連接及其后的數(shù)字濾波器構(gòu)成，如圖4所示。調(diào)制器的結(jié)構(gòu)近似于雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括1個積分器和1個比較器，以及含有1個1位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)。這個內(nèi)置的數(shù)模轉(zhuǎn)換器僅僅是一個開關(guān)，它將積分器輸入切換到一個正或負參考電壓?！?Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器還包括一個時鐘單元，為調(diào)制和數(shù)字濾波器提供適當(dāng)?shù)亩〞r。窄帶信號送入∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器后被以非常低的分辨率（1位）進行量化，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比較低的采樣率；同時模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率（即動態(tài)范圍）被提高到16位或更高。

盡管∑-Δ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)了很重要的位置。它具有三個主要優(yōu)勢：

*低價格、高性能（高分辨率）；

*集成化的數(shù)字濾波；

*與DSP技術(shù)兼容，便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成。

2 流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器

從上面對幾種常用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的介紹不難看出，它們都存在這樣或那樣的不足，而流水線結(jié)構(gòu)（或稱為子區(qū)式）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是更為高效和強大的模數(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（意味著低價格）；經(jīng)過合理的設(shè)計，還可以提供優(yōu)異的動態(tài)特性。

??? 流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能框圖如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用多個低精度的閃爍型模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣信號進行分級量化，然后將各級的量化結(jié)果組合起來，構(gòu)成一個高精度的量化輸出。每一級由采樣/保持電路（T/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。一個N位分辨率的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次采樣的程序大致如下：

首級電路的采樣/保持器地輸入信號采樣后先由一個M位分辨率的粗模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入進行量化，接著用一個至少N位精度的乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MDAC）產(chǎn)生一個對應(yīng)于量化結(jié)果的模擬電平送至求和電路。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(jīng)過L級這樣的處理后，最后由一個較高精度的K位精細模數(shù)轉(zhuǎn)換器對殘余信號進行轉(zhuǎn)換。將上述各級粗、細A模數(shù)的輸出組合起來構(gòu)成高精度的N位輸出。為了便于糾正重疊誤差，流水線各級電路都留有冗余位，即滿足：

L×M+K>N

其中，L為級數(shù)（制造商各有不同），M為各級中模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路的粗分辨率。K為精細模數(shù)轉(zhuǎn)換器級的細分辨率，而N就是流水模數(shù)轉(zhuǎn)換器的總分辨率。

流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器中各級電路分別有自己的跟蹤/保持電路，因此，當(dāng)信號傳遞給次級電路后本級電路的跟蹤/保持器就可釋放出來處理下一次采樣。這樣就提高了整個電路的吞吐能力，一次采樣可在一個時鐘周期內(nèi)完成。為了補償不理想的邊界效應(yīng)，如溫度漂移或乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器中電容的失配，部分流水模塊轉(zhuǎn)換器還配有校正單元。該單元通常用于流水線的多級（并非所有）電路中，利用兩個校正碼使乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出幅度等于VREF的躍變，任何與此躍變偏離的結(jié)果都會被測量到。各級轉(zhuǎn)換器的誤差被采集起來并存儲到內(nèi)部存儲器中，正常工作時再將結(jié)果從RAM中取回并分別對流水線各環(huán)節(jié)的增益和乘積型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的電容失配進行補償。

總之，流水線結(jié)構(gòu)簡化了模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，并具有以下優(yōu)點：

*每一線的冗余位優(yōu)化了重疊誤差的糾正；

*每一級具有各自獨立的采樣/保持放大器，前一級電路的采/?？梢葬尫懦鰜碛糜谔幚硐乱淮尾蓸?，因此允許流水線各級同時對多個采樣進行處理；

*更低的功率消耗；

*更高的采樣速度，價格更低，所需設(shè)計時間更少，難度更??；

*很少有比較器進入亞穩(wěn)態(tài)，從根本上消除了閃爍碼溫度計氣泡。

但同時，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器也存在一些缺點：

*復(fù)雜基準(zhǔn)電路和偏置結(jié)構(gòu)；

*輸入信號必須穿過數(shù)級電路，造成流水延遲；

*同步所有輸出需要嚴(yán)格的鎖存定時；

*對工藝缺隱較敏感，會影響增益非線性、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。

但是，合理地設(shè)計多層印制板線能夠克服上述許多不利因素，外部元件的選擇和選用適當(dāng)型號的流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器（最好包括內(nèi)部級間增益和誤差失配校準(zhǔn)）也能提高系統(tǒng)的性能。

結(jié)束語

模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展日新月異，流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)只是其中一能較為優(yōu)異的。相信隨著數(shù)字技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，一定會有更新、更好的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)出現(xiàn)。最后希望本文能對讀者在選用適合的模數(shù)轉(zhuǎn)換器時提供一定的參考。