数电研讨--AD DA转换的外特性研究

1、数电研讨高性能A/D与D/A转换电路的外特性研究班级：姓名：学号：指导老师：2015-12目录引言2摘要3Abstract3一、A/D转换的基本原理 4二、A/D转换的过程4三、几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究53.1逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性53.2积分型A/D转换器原理及外特性63.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性73.4 过采样-型AD转换电路的原理及外特性83.5流水线型AD转换电路的原理及外特性103.6几种AD转换电路的外特性比较12四、A/D转换电路的设计124.1确定设计思路134.2并行比较型A/D转换电路的设计思路134.3流

2、水线型A/D转换电路15五、未来发展展望19六、总结20七、参考文献21引言人类社会正在步人信息时代，而信息时代的一个重要标志就是数字化。得益于计算机技术的发展，数字信号处理起来要比模拟信号方便得多，人们更愿意将模拟信号转换成数字信号来处理。作为数字信号和模拟信号之间的桥梁，A/D转换器当仁不让成为数字化的核心。摘要 本文从基本原理，转换过程，实现技术和发展趋势等几个方面来介绍A/D转换电路，研究了几种A/D转换电路电路的外特性，并且基于研究结果和分析对设计一个分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路（不计成本）提出并行比较型和流水线型电路两种设计思路，并对其未来进行展望。关键词：外

3、特性 流水线型A/D转换电路 并行比较型A/D转换电路 转换速度 分辨率AbstractThis 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 circuits, we design a&

4、#160;resolution for 32-bit, converting speed of 10 ns A/D conversion circuit in parallel  comparison type and pipeline type. Mainly from the A/D converter, the principle of th

5、is circuit is constructed. At the same time, the paper points out the future development of A/D field.Keywords: External characteristics, pipeline A/D conversion circuit, parallel comparison A/D circuit, conversion

6、speed, the ratio of resolution一、A/D转换的基本原理 A/D转换的过程是将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。二、A/D转换的过程要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别称为采样、保持、量化、编码。图2-1 A/D转换的过程采样就是将一个时间上连续变化的信号转换成时间上离散的信号，考虑到模数转换器件的非

7、线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样频率一般取253倍的最高频率成分。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号，虽然逻辑上保持器是一个独立的单元，但是，实际上保持器总是与采样器做在一起，两者合称采样保持器。量化是指将采样-保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔）的整数倍，将连续的模拟电压近似成分散的量化电平。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。到此，也就完成了A/D转换。采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码，也就是说，这些过程通常是合并进行的。三、几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究速度和精度作为A/D转换电路的最重要的两个外部特性，这一

8、部分中我们会对几种不同的A/D转换电路进行分析和比较。3.1逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性逐次比较型A/D转换电路主要由采样保持电路(S&H)、D/A转换器、比较器、逐次逼近寄存器(SAR)、时序及其他控制电路组成,其核心是D/A转换器和比较器。 图3-1 SA-A/D转换器的基本结构逐次逼近转换过程和用天平称物重非常相似。天平称重物过程是，从最重的砝码开始试放，与被称物体行进比较，若物体重于砝码，则该砝码保留，否则移去。再加上第二个次重砝码，由物体的重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留下还是移去。照此一直加到最小一个砝码为止。将所有留下的砝码重量相加，就得此物体的重量。仿

9、照这一思路，逐次比较型A/D转换器，就是将输入模拟信号与不同的参考电压作多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。1个时钟周期完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期，转换完成，输出二进制数。 逐次比较型A/D转换电路的外特性表现为转换速度中等，精度较高，输入带宽较低。当分辨率要求越高时，所需要的时钟周期就越多，故分辨率分辨率和转换速率是矛盾的，要提高分辨率就必然牺牲转换速率。当精度要求不断提高时就需要相应分辨率的模数转换器，而这相对难于实现，故其分辨率的高也是在一个相对的范围内。当分辨率低于12位时价格低，采样速率可达1MSPS。所以适用于中速率而分辨率要求相对较高的场合，

10、并且与其它A/D相比，功耗相当低。3.2积分型A/D转换器原理及外特性积分型A/D转换技术是目前最常见的技术，它有单积分和双积分两种转换方式，单积分型A/D转换电路转换精度不高，所以现在已经基本被淘汰。双积分型A/D转换电路对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分，部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差，提高了转换精度。 图3-2 双积分型A/D转换电路原理双积分型转换方式的外特性表现为精度较高，转换速度慢，能够大幅抑止高频噪声。由于积分电路的响

11、应是输入信号的平均值，所以它具有较强的抗干扰能力，另外在两次积分内，只要RC元件参数不发生瞬变，转换结果 就与RC无关，故分辨率相对较高，最高可以达到22位。由于积分电容的作用，能够大幅抑止高频噪声，使得电路的抗干扰能力强。但当分辨率的要求增加时，其转换的时间必然会增加，故要提高其转换速度必然会牺牲精度。所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域，如数字仪表领域。3.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性并行比较型A/D转换器由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。 图3-3 并行比较型A/D转换电路原理由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间的限

12、制，因此转换速度最快。随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加，大量的比较器会使得电路之间出现匹配误差，导致分辨率不高，功耗大，成本高。所以只适用于速度要求特别高的领域.如视频A/D转换器等。就现阶段其转换速度一般在125Msps- 10Gsp(四位并行)之间; 由于受到功率和体积的限制，并行比较ADC的分辨率难以做得很高。3.4 过采样-型AD转换电路的原理及外特性A/D转换器总体上来说由调制器（又称增量调制器）和数字抽取滤波器组成。A/D转换器是一种低速高精度的过采样AD转换器，在过去的几十年中，主要应用于音频和部分视频频段的信号处理中。如图1所示，A/D转

13、换器的量化过程即是用一等间隔阶梯波函数x1 t 去逼近一时间连续函数的波形x t 。传统原理的A/D转换器（例如逐次比较型A/D转换器）的量化是等时间间隔t对连续波形采样，进行幅度量化。图3-4 连续波形量化过程过采样-型ADC由-调制器和数字抽取滤波器两部分构成。-调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即-码;数字抽取滤波器完成对-码的抽取滤波，把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。-模数转换的主要特点是转换的精度很高，高于积分电路，内部利用高倍频过采样技术，实现了数字滤波，由于采用了过采样调制、噪音成形和数字

14、滤波等关键技巧，充分发扬了数字和模拟集成技术的长处，使用很少的模拟元件和高度复杂的数字信号处理电路达到高精度(16位以上)，并且，模拟电路对元件的匹配性要求不高，易于用CMOS技术实现。但由于其采样频率过高，所以相对于其他电路来说功耗较高，并且，其速度也不快，-转换方式的转换速率一般在1Msps以内。3.5流水线型AD转换电路的原理及外特性流水线型AD转换电路由若干级电路串联组成，每一级包括一个采样/保持放大器、一个低分辨率的ADC和DAC以及一个求和电路，其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器。快速精确的n位转换器分成两段以上的子区（流水线）来完成。首级 电路的采样/保持器对输入

15、信号取样后先由一个m位分辨率的粗ADC对输入进行量化， 接着用一个至少n位精度的乘积型数模转换器MDAC产生一个对应于量化结果的模拟电平并送至求和电路，求和电路从输入信号中扣除此模拟电平，并将差值精确放大某一固定增益后送交下一级电路处理。经过各级这样的处理后，最后由一个较高精度的K位细ADC对残余信号进行转换。将上述各级粗、细ADC的输出组合起来即构成高精度的n位输出。图3-5 流水线型A/D转换器原理图图3-6 每级内部结构图流水线型A/D转换电路的外特性表现为转换速度很高，仅次于并行，精度也很高，成本相对较低，功耗较低。是对并行转换方式进行改进而设计出的一种转换方式。在一定程度上

16、既具有并行转换高速的特点，又具有逐次逼近型结构简单的特点，从而解决了制造困难的问题。它能够提供高速、高分辨率的A/D转换，还有令人满意的低功耗和较小的芯片尺，经过合理的设计，还可以提供优异的动态特性。3.6几种AD转换电路的外特性比较四、A/D转换电路的设计要求设计一个分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路。4.1确定设计思路我们已经研究了几种A/D转换电路外特性，速度和精度作为A/D转换电路的核心性能指标，在大多数情况下两者是对互相矛盾的产物，很多时候我们需要进行取舍。设计一个转换精度为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路必然是在选取一个相对高速的方式下，尽可能地提高其分辨

17、率。并行A/D转换电路是速度最快的转换电路，其目前精度不高主要是由于成本，体积，功耗等现实层面问题，而流水线型A/D转换电路作为并行的一种优化，并且存在错误校正环节，在高速的前提之下，可以实现高精度，它由于分级思想，可以处理同时处理多个模拟量，提高了效率。通过上述研究，我们确立了基本的两条主线思路。4.2并行比较型A/D转换电路的设计思路 图4-1 并行比较型设计原理图闪烁型A/D转换电路的设计思路就是运用2的32次方减一个比较器以及比较器数量的2倍的电阻，即使在忽略体积的前提下，如此多数量的比较器意味着需要对其进行编码，其复杂的编码过程，以及其如此多输入带来的延时问题使得实际的时间远大于10

18、ns ，首先要克服的是时间上的问题，其实，如果我们换一种思路，放弃其原有的复杂编码过程而采用一种最高高电平检测的方法，因为我们发现我们的输出有效的其实就是所有高电平中最高的一位，按照这个思路来走，只要我们设计一个电路可以快速检测最高高电平，那么我们发现理论上可以解决复杂编码带来的时间延迟。 除去编码问题之外，其还存在一些其他方面现阶段不可行的问题。如此多结构重复的并行比较器之间任何失配都会造成静态误差，比较器的亚稳态还会产生闪烁码温度计气泡，即使这些问题都可以通过高成本来避免，但是，当比较器的数量增加时，对于比较器的分辨能力也有要求，如果比较器不能够分辨2的32次方精度的两

19、个数，即使运用如此多的比较器在现实层面也是无法真正比较出来的，因此该思路可以作为提高其速度和精度的一个方向，在理论上如果忽略一切误差，假设比较器精度极高的话是可行的。但是就现阶段即使不计成本也难于实现。4.3流水线型A/D转换电路 图4-2 流水线型原理图流水线的设计思路其实是一种分级的思想，将32位分成几级，然后逐级进行处理。我们将电路分成四级，则每级需要得出八位数字量，我们不妨模拟一下此类电路的框图架构，当处理的模拟量数量不断增加时，虽然单次处理的时间可能高于10ns，但是只要确保每一级电路的时间在10ns左右就可以是的平均用时在10ns左右。方案一：AD9286是一款8位单芯片采样模数转

20、换器(ADC)，支持交错工作模式，专门针对低成本、低功耗和易用性进行了优化。各ADC的转换速率高达250 MSPS，动态性能卓越。AD9286采用单个采样时钟，通过片内时钟分频器，使两个ADC内核实现时间交错（每个内核的工作频率为时钟频率的一半），从而达到额 定值500 MSPS。利用SPI，用户可以精确地调整各ADC采样沿的时序，尽可能降低图像的杂散能量。该ADC要求采用1.8 V单电源供电及编码时钟信号，以便充分发挥其工作性能。许多应用都无需外部基准源器件。数字输出兼容LVDS。AD9286采用48引脚无铅LFCSP封 装，额定温度范围为40°C至+85°C工业温度范围

21、。图4-3 AD9286功能框图由于运用流水线式结构，所以我们还需要相应的数模转换转换芯片，目前八位的DAC芯片ADV7125吞吐量可达330 MSPS，那么单次处理时间大约在3ns左右，因为该芯片是三通道的，故四级电路中仅需要运用到一片该芯片。图4-4 ADV7125功能框图电路原理图如下：图4-5 方案一电路原理图忽略数模变换以及放大时间，则处理一个模拟量的时间为17ns，在经过锁存器以及数字误差校正环节，而实际上当处理多个模拟量时，同时转换为数字量的时间在5-10ns之间，那么加上后期电路，完全可以实现32位分辨率，10ns转换速度。方案二：在方案二中，我们希望用市面上已有的1

22、6位模数转换芯片，做成一个两级的流水式模数转换电路。ADI推出业界速度最快的16位ADC（模数转换器）-250MSPS（兆每秒采样）AD9467（如图所示）。与其它16位数据转换器相比，这款16位、250MSPSADC可在能耗降低35%的情况下将采样率提高25%，其信号处理性能达到新的高度，该芯片处理16位的时间为4ns，而目前最快的16位数模转换芯片AD9142是一款双通道、16位、高动态范围数模转换器(DAC)，提供1600 MSPS采样速率，这样的话单次处理时间仅为0.6ns，这样的话两级电路处理一个模拟量的时间为8.6ns，再加上锁存器以及数字误差校正环节，这样的话多次处理时

23、间完全可以达到10ns。 图4-6 AD9467功能框图图4-7 方案二电路原理图对于两种方案进行比较，我们发现两级流水线电路处理的速度更快，并且只有两级，后期的处理工程也会相对简便一些，就性能而言，第二种设计方案更加优越。因此对于流水线法而言，虽然单次的处理时间不能够达标，但是多次的处理平均时间可以实现，在不断提高各级电路的速度的情况下，还能对其优化，流水线法的巧妙在于运用分时复用的原理，在提高效率的同时，又不会增加高额的成本，相对来说现实可行。五、未来发展展望 当前，数字处理系统正在飞速发展，在视频领域，高清晰度数字电视系统(HDTV)的出现，将广播电视推向了一个更高的台阶，HD

24、TV的分辨率与普通电视相比至少提高了一倍。在通信领域，过去无线通信系统的设计都是静态的，只能在规定范围内的特定频段上使用专用调制器、编码器和信道协议。而软件无线电技术(SDR)能更加灵活、有效地利用频谱，并能方便地升级和跟踪新技术，大大地推动了无线通信系统的发展。在高精度测量领域，高级仪表的分辨率在不断提高，电流到达A量级，电压到达mV甚至更低;在音频领域，各种高性能专业音频处理设备不断涌现，如DVD-Audio和超级音频CD(SACD)，它们能处理更高质量的音频信号。  为了满足数字系统的发展要求，A/D转换器的性能也必须不断提高，它将主要向以下几个方向发展：  高转换速度：现代数字系统的数据处理速度越来越快，要求获取数据的速度也要不断提高。比如，在软件无线电系统中，A/D转换器的位置是非常关键的，它要求A/D转换器的最大输入信号频率在1GH