幾種常用的模數轉換器的比較分析

★★★★★【文章導讀】：幾種常用的模數轉換器的比較分析具體內容是：1模數轉換技術模數轉換包括采樣、保持、量化和編程四個過程。采樣就是將一個連續變化的信號x(t)轉換成時間上離散的采樣信號x(n)。根據奈奎斯特采樣定理,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) …

來源：日期：2013-12-18 13:59:56 人氣：標簽：

1 模數轉換技術

模數轉換包括采樣、保持、量化和編程四個過程。采樣就是將一個連續變化的信號x(t)轉換成時間上離散的采樣信號x(n)。根據奈奎斯特采樣定理,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) 高頻率成分),則可以無失真地重建恢復原始信號x(t)。實際上,由于模數轉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,故采樣輸出是斷續的窄脈沖。要把一個采樣輸出信號數字化,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。量化是將連續幅度的抽樣信號轉換成離散時間、離散幅度的數字信號,量化的主要問題就是量化誤差。假設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轉換器的輸入阻抗值有關。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完成,量化和編碼也是在轉換過程同時實現的,且所用時間又是保持時間的一部分。實現這些過程的技術有很多,從早在上世紀70年代就出現的積分型到新的流水線模數轉換技術,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 積分型模數轉換器

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

雙斜率轉換器由1個帶有輸入切換開關的模擬積分器、1個比較器和1個計數單元構成。積分器對輸入電壓在固定的時間間隔內積分,該時間間隔通常對應于內部計數單元的大地數。時間到達后將計數器復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,并使計數器終止,積分器復位。

積分型模數轉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環境以及不要求高轉換速率的應用有用(如熱電偶輸出的量化)。

1.2 逐次逼近型模數轉換器

逐次逼近型轉換器包括1個比較器、1個數模轉換器、1個逐次逼近寄存器(sar)和1個邏輯控制單元,如圖2所法。

邏輯控制單元

轉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：啟動轉換后,控制邏輯電路首先把逐次逼近寄存器的高位置1,其它位置0,逐次逼近寄存器的這個內容經數模轉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模轉換器,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動下,逐次逼近寄存器不斷進行比較和移位操作,直到完成低有效位(lsb)的轉換。這時逐次逼近寄存器的各位值均已確定,逐次逼近轉換完成。

由于逐次逼近型模數轉換器在1個時鐘周期內只能完成1位轉換。n位轉換需要n個時鐘周期,故這種模數轉換器采樣速率不高,輸入帶寬也較低。它的優點是原理簡單,便于實現,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 閃爍型模數轉換器

與一般模數轉換器相比,閃爍型模數轉換器速度是快的。由于不用逐次比較,它對n位數據不是轉換n次,而是只轉換一次,所以速度大為提高。圖3所示為n位閃爍型模數轉換器的原理。

轉換器內有一定參考電壓,模擬輸入信號被同時加到2n-1個鎖存 n位閃爍型模數轉換器的原理比較器。每個比較器的參考電壓由電阻網絡構成的分壓器引出,其參考電壓比下一個比較器的參考電壓高一個低有效位。當模擬信號輸入時,風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,然后送到二進制數據輸出驅動器上的輸出寄存器。