信号采样理论与模数前端技术

1、第第2 2讲讲 信号采样理论与信号采样理论与模数前端技术模数前端技术 电子科技大学：王电子科技大学：王 洪洪主要内容v2.1 概述概述 v2.2 低通和带通采样定理低通和带通采样定理v2.3 A/D转换技术转换技术v2.4 并行采集技术并行采集技术v2.5 D/A转换技术转换技术2.1 2.1 概述概述 A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。一般情况下，模拟量是指电压而言的。采样、保持、量化和编码采样、保持、量化和编码 。 A

2、/D转换的数字量能代表原有的模拟信息吗？有没有信息的丢失？转换的数字量能代表原有的模拟信息吗？有没有信息的丢失？D/A转换的模拟量能表达出原有数字量中的信息吗？转换的模拟量能表达出原有数字量中的信息吗？传感器传感器(温度、压力、流温度、压力、流量等量等模拟量模拟量）A/D计算机计算机（数字量）（数字量）显示器显示器D/A执行部件执行部件（模拟量控制）（模拟量控制）打印机打印机能够将模拟量转换为能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数字量的器件称为模数转换器，简称数转换器，简称A/DA/D转转换器或换器或ADCADC。能够将数字量转换为能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模拟量的器件称为数模转换器

3、，简称模转换器，简称D/AD/A转转换器或换器或DACDAC。 ADC ADC和和DACDAC是沟通模拟电路和数字电是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口路的桥梁，也可称之为两者之间的接口. .ADCADC和和DACDAC的应用：的应用：1. 低通抽样定理：低通抽样定理：设有一个频率带限信号设有一个频率带限信号 x(t)，其频带限制，其频带限制在在 ( 0, fh ) 之间，如果以不小于之间，如果以不小于fs2fh 的采样速率对的采样速率对 x(t) 进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号进行等间隔采样，得到时间离散的采样信号 x(n) x(nTs) （其中（其中Ts1/fs

4、称为采样间隔）称为采样间隔）,则原信号则原信号 x(t) 将被所得的将被所得的采样值采样值 x(n) 完全地确定完全地确定 (定理的实质与目的定理的实质与目的)2.2 低通和带通采样定理低通和带通采样定理x(t) 0 t 0 t T(t) t 0 yS(t) 0 -H H 0 -S -2S S 2S T() X() YS() 0 -S -2S S 2S x(t) yS(t) T(t) 图2.3信号恢复过程示意图0fLfHfX(）-fL-fH0fLfHfYS(）-fL-fH(K-1)fSfS(a) 带通信号(b) 带通采样-fL+(K-1)fS-fH+KfS2. 带通抽样定理：带通抽样定理：要使

5、采样后频谱不发生混叠，必须满足下式：要使采样后频谱不发生混叠，必须满足下式： HSHLSLfKffffKf) 1(v带通采样定理：设一个频率带限信号带通采样定理：设一个频率带限信号 x(t)，如果，如果其采样速率其采样速率fs 满足：满足： 式中，式中，n 取能满足取能满足fs = 2(f H - f L) =2B 的最大的最大整数整数 (0, 1, 2, ) ，则用，则用fs 进行等间隔采样所得进行等间隔采样所得到的信号采样值到的信号采样值 x(nTs) 能准确的确定原信号能准确的确定原信号x(t)。12412)(2fSnfnffoHL注意：注意： 1） 上述采样定理的适用前提条件是：只允许

6、在上述采样定理的适用前提条件是：只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将引起混叠。的频带上同时存在信号，否则将引起混叠。 2） 为了能使用最低采样速率即：为了能使用最低采样速率即：f S = 2B ，带通，带通信号的中心频率必须满足信号的中心频率必须满足 即信号的最高频率加上最低频率是带宽的即信号的最高频率加上最低频率是带宽的整数倍。整数倍。BnffBnfHL)12(2120或或3） 带通采样的结果是把位于带通采样的结果是把位于 ( nB, (n+1)B ) ( n=0, 1, 2 . ) 不同频带上的信号，都挪位于不

7、同频带上的信号，都挪位于 (0, B) 上相同的基带信号频谱来表示，但是当上相同的基带信号频谱来表示，但是当 n 为奇为奇数时，其频率对应关系是相对于中心频率数时，其频率对应关系是相对于中心频率“反折反折”的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量。分量。)( fXf000f01f02fBB2B3带通信号采样的频率对应关系带通信号采样的频率对应关系滤波滤波A/DDSP（软件）（软件）f S2SfB Sfnf4)12(0理想带通采样模型理想带通采样模型3.采样定理在数

8、字中频系统中的应用采样定理在数字中频系统中的应用（1）窄带中频采样数字化）窄带中频采样数字化v理想能成为现实吗？ 1）由带通采样定理知：当采样速率fs固定的时候，该模型所能处理的信号的中心频率只 有有限的几个，即： 2）该模型要求 A/D 前面的抗混叠滤波器在整个频带上保持相同的滤波器带宽和阻带特性，这几乎是不可能做到的。）0,1,2(n 4)12(0Sfnfv问题的解决超外差接收体制滤波滤波放大放大A/DDSP（软件）（软件）本振本振fLfSfi2SSfBBSfnf4) 12(0 该模型先用一个本振信号与被数字化的输该模型先用一个本振信号与被数字化的输入信号进行混频，将其变换为统一的中频信号

9、，入信号进行混频，将其变换为统一的中频信号，然后进行数字化。然后进行数字化。 这样，这样，A/D之前的信号的中心频率是固定不之前的信号的中心频率是固定不变的，如果变的，如果 fo 取值恰当，则取值恰当，则A/D前的抗混叠滤前的抗混叠滤波器就会容易的多。波器就会容易的多。(2) 宽带中频采样数字化滤波滤波滤波滤波滤波滤波A/DDSPfL1:9601430MHz 步进步进 100MHzfL2:1080MHzfS:120MHz30500MHzf0:930MHzB:50MHzf0:150MHzB:50MHz一个可供实用的宽带中频数字化接一个可供实用的宽带中频数字化接收机组成框图收机组成框图滤波滤波滤波

10、滤波滤波滤波A/DDSPfL1:9601430MHz 步进步进 100MHzfL2:1080MHzfS:120MHz30500MHzf0:930MHzB:50MHzf0:150MHzB:50MHz滤波滤波滤波滤波滤波滤波A/DDSPfL1:9601430MHz 步进步进 100MHzfL2:1080MHzfS:120MHz30500MHzf0:930MHzB:50MHzf0:150MHzB:50MHz滤波滤波滤波滤波滤波滤波A/DDSPfL1:9601430MHz 步进步进 100MHzfL2:1080MHzfS:120MHz30500MHzf0:930MHzB:50MHzf0:150MHzB

11、:50MHz滤波滤波滤波滤波滤波滤波 Bs（信号带宽），中频带宽（信号带宽），中频带宽内包含有多个信道，至于对带宽内包含有多个信道，至于对带宽B内位于某一特内位于某一特定信道上的信号所需进行的解调、分析、识别等定信道上的信号所需进行的解调、分析、识别等处理，将由后续的信号处理器及软件来完成。处理，将由后续的信号处理器及软件来完成。 2） 通过加载不同的信号处理软件可以实现对不通过加载不同的信号处理软件可以实现对不同体制，不同带宽以及不同种类的信号的接收解同体制，不同带宽以及不同种类的信号的接收解调以及其他处理任务，这样对信号的环境的适应调以及其他处理任务，这样对信号的环境的适应性以及可扩展能力

12、就大大提高了。性以及可扩展能力就大大提高了。 3） 由于中频带宽增加了，本振信号就可以按照由于中频带宽增加了，本振信号就可以按照大步进来设计，这样可以大大简化本振源的设计，大步进来设计，这样可以大大简化本振源的设计，有利于减小体积，改善性能，降低成本。有利于减小体积，改善性能，降低成本。(3) 射频直接带通采样原理跟踪滤波跟踪滤波放大放大A/DDSP（软件）（软件）音频音频视频视频采样脉冲源（采样脉冲源（DDS）射频直接采样软件无线电接收体制射频直接采样软件无线电接收体制v主要特点：主要特点： 1）以上模型通常用于单独对一个信号进行接收）以上模型通常用于单独对一个信号进行接收解调的时候。解调的

13、时候。 2）天线与）天线与A/D之间比较接近，只有跟踪滤波器之间比较接近，只有跟踪滤波器和放大器。如果和放大器。如果A/D灵敏度足够高，连放大器都灵敏度足够高，连放大器都可以不要。因此这种结构和理想化的软件无线电可以不要。因此这种结构和理想化的软件无线电是比较接近的。是比较接近的。 3）存在）存在“盲区盲区”-完美只是一种理想完美只是一种理想在采样前和采样后一般需要对信号进行滤波：在采样前和采样后一般需要对信号进行滤波：v 在采样前滤波：保证只对感兴趣的信号进行采样，在采样前滤波：保证只对感兴趣的信号进行采样，滤出其他信号、干扰信号和噪声，保证信号噪声滤出其他信号、干扰信号和噪声，保证信号噪声

14、比。比。v在采样后滤波：对于宽带信号的单个信道进行分在采样后滤波：对于宽带信号的单个信道进行分析时，必须首先拾取该信道的信号，就需要滤波析时，必须首先拾取该信道的信号，就需要滤波处理。处理。如何设计滤波器？滤波器对如何设计滤波器？滤波器对信号是否造成损失？如何对信号是否造成损失？如何对待过渡带信号？待过渡带信号？过渡带过渡带(4) 采样的盲区采样的盲区 在现实中，理想的滤波器（矩形系数为在现实中，理想的滤波器（矩形系数为1，带，带宽为宽为fs / 2）是做不到的，在现实中能实现的滤波）是做不到的，在现实中能实现的滤波器（上图）存在器（上图）存在“盲区盲区”（阴影部分）。当信号（阴影部分）。当信

15、号落在落在“盲区盲区”里面时，将被滤波器滤除，而无法里面时，将被滤波器滤除，而无法对这些信号进行采样数字化（至少降低信号采样对这些信号进行采样数字化（至少降低信号采样灵敏度）。灵敏度）。)( fH00f01f02ff2Sf能实现的滤波器能实现的滤波器v解决方法： 对这些“盲区”通过选择适合的采样频率进行“异频”或“异速率”采样。（见下图）)( fHf00f01f)( fH00f01f02ff2Sfv根据带通采样定理，为了对中心频率为fom的这一“盲区”频带进行采样数字化，所要求的采样速率为： （1）v易知“盲区”中心频率为： （2）v将式2代入式1，可得： （3）)0,1,2(m 2) 1(

16、Somfmf)0,1,2(n 124omsmfnfSsmfnmf12)22(v在式3中，m取不同的值对应不同的“盲区”，而n的选取应尽量使 fsm 靠近 fs（但小于fs），以减小采样振荡器的频率设置范围。所以可以取n m1，这时有： “盲区”采样频率确定后，并不意味着就能实现无“盲区”采样，还必须对滤波器的特性（矩形系数r）提出一定要求，否则采样“盲区”可能仍然无法消除。SSsmfnfmf)1211 ()3211 ()( fHf0B0BmB2Sf2SmfsosmfrrBfB212/v下面给出“盲区”采样的滤波矩形系数 rm 与主采样的滤波矩形系数 r 的关系：1)1211 (12/rrnff

17、rrBfrssmmsmm A/D A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码取样、保持、量化和编码四个步骤完成。四个步骤完成。 采样保持量化编码VIDO模拟量输入模拟量输入数字量输出数字量输出一、一、A/DA/D转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理2.3 A/D2.3 A/D转换技术转换技术 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时转换为时间上离散的信号间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的

18、幅度取决于输入模拟量。等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1.1.取样和保持取样和保持 取样过程取样过程 采样脉冲采样脉冲 输输入入模模拟拟信信号号 采采样样输输出出信信号号 maxf2fs 模拟信号经采样后，得到一系列模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲样值脉冲。采样脉冲宽度。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加后须加保持电路保持电路。在采样脉冲在采样脉冲S(tS(t) )到来的时间到来的时间内

19、，内，VTVT导通，导通，U UI I( (t t) )向电容向电容C C充电，假充电，假定充电时间常数远小于定充电时间常数远小于，则有：则有：U UO O(t)(t)U US S(t)(t)U UI I(t)(t)。采样采样采样结束，采样结束，VTVT截止，而电容截止，而电容C C上电压保持充电电压上电压保持充电电压U UI I(t)(t)不变，直到不变，直到下一个采样脉冲到来为止。下一个采样脉冲到来为止。保持保持 场效应管场效应管VTVT为为采样门采样门，电容，电容C C为为保持电容保持电容，运算放大器为，运算放大器为跟跟随器随器，起缓冲，起缓冲隔离隔离作用。作用。取样保持电路及输出波形取

20、样保持电路及输出波形 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波阶梯波。而该阶。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n n位数字量只能表示位数字量只能表示2 2n n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于似于四舍五入的近似问题四舍五入的近似问题。2.2.量化和编码量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为程称为量化量化。指定的离散电平称为。指定的离散电平称为

21、量化电平量化电平U Uq q 。用二进制数码。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为来表示各个量化电平的过程称为编码编码。两个量化电平之间的差值。两个量化电平之间的差值称为称为量化单位量化单位，位数越多，量化等级越细，位数越多，量化等级越细，就越小。取样保就越小。取样保持后未量化的持后未量化的U Uo o值与量化电平值与量化电平U Uq q值通常是不相等的，其差值称为值通常是不相等的，其差值称为量化误差量化误差，即，即= =U Uo o- -U Uq q。量化的方法：量化的方法：只舍不入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。1)1)只舍不入法只舍不入法 当当U Uo o的尾数的尾数时，时，舍

22、尾取整。舍尾取整。这种方法这种方法总总为正值，为正值，maxmax 。 2)2)有舍有入法有舍有入法 当当U Uo o的尾数的尾数/2/2时，舍时，舍尾取整；当尾取整；当U Uo o的尾数的尾数/2/2时，时，舍尾入整。舍尾入整。这种方法这种方法可正可可正可负，但是负，但是| | maxmax|= |= /2/2。可见，。可见，它的误差要小。它的误差要小。 量化特性及量化误差量化特性及量化误差 QBVbbbaaaVVnnrnnnnnnrn)2/)(222()222(0022112211)2/)(2/1 ()2/)(2/1 (nrninrnVVVVV 一般而言，一般而言，n位位ADC的理想传输函

23、数由以的理想传输函数由以下两个式子定义：下两个式子定义： 图图2.16 理想理想ADC的传输特性和量化误差的传输特性和量化误差 二、二、ADC的分类的分类 A/DA/D转换器有转换器有直接转换法直接转换法和和间接转换法间接转换法两大类。两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较比较，从，从而而直接直接将模拟量将模拟量转换转换成数字量。其特点是成数字量。其特点是工作速度高工作速度高，转换精，转换精度容易保证，调准也比较方便。度容易保证，调准也比较方便。直接直接A/DA/D转换器有计数型、逐次转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型比较型、并行

24、比较型等。等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量中间变量时间时间t t或频或频率率f f, , 然后再将然后再将t t或或f f转换成数字量。其特点是转换成数字量。其特点是工作速度较低工作速度较低，但，但转换精度可以做得较高转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。，且抗干扰性强。间接间接A/DA/D转换器有单次转换器有单次积分型、双积分型积分型、双积分型等。等。图图2.19 逐次逼近式转换器原理逐次逼近式转换器原理 1. 1. 比较型比较型ADCADC转换开始前先将逐次逼近寄存器转换开始前先将逐次逼近寄存器SARSAR清清“0”0”；开始转换以后，第一个

25、时钟脉冲首先将寄存器开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成最高位置成1 1，使输出数字为使输出数字为10001000。这个数码被。这个数码被D/AD/A转换器转换成相应的模转换器转换成相应的模拟电压拟电压u uo o，经偏移，经偏移/2/2后得到后得到u uO Ou uO O/2/2，并送到比较器中，并送到比较器中与与u uI I进行比较。进行比较。若若u uI Iu uo o，说明数字过大，故将最高位的，说明数字过大，故将最高位的1 1清清除置零；若除置零；若u uI Iu uo o，说明数字还不够大，应将这一位保留。，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，按同样的方法将次高位

26、置成然后，按同样的方法将次高位置成1 1，并且经过比较以后确，并且经过比较以后确定这个定这个1 1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，为止。比较完毕后，SARSAR中的状态就是所要求的数字量输出。中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器的工作原理：转换器的工作原理： 四位四位D/A转换器转换器QQQQFF1FF0FF2FF3S RS RS RS R111&Q0Q1Q2Q3Q4五位顺序脉冲发生器五位顺序脉冲发生器CP时钟脉冲时钟脉冲&d1d0d2d3EUOUI电压比较器电压比较

27、器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器d0d1d2d3控制逻辑门控制逻辑门2. 积分型积分型ADC 双积分型双积分型ADCADC的转换原理是先将模拟电压的转换原理是先将模拟电压U UI I转换成与其大转换成与其大小成正比的时间间隔小成正比的时间间隔T T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T T变变换成数字量。换成数字量。 这种这种A/DA/D转换器具有很多转换器具有很多优点优点。首先，其转换结果与时间。首先，其转换结果与时间常数常数RCRC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响

28、转换结果。允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T T1 1，而而T T2 2正比于输入信号在正比于输入信号在T T1 1内的平均值，这对于叠加在输入信号内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/DA/D转换器不必转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T T1 1+ +T T2 2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛）内保持稳定即可。这种转换

29、器被广泛应用于要求精应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中度较高而转换速度要求不高的仪器中。 3. -型型ADC-A/D-A/D变换器的基本思想是用数字化速度来换取变换器的基本思想是用数字化速度来换取位数位数, , 即采用高速、低位数的即采用高速、低位数的ADCADC来实现低速、高来实现低速、高位数的位数的ADCADC，由于采用了过采样技术和，由于采用了过采样技术和-调制技调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的而能够

30、以较低的成本实现高精度的A/D变换器，适变换器，适应了应了VLSI技术发展的要求。技术发展的要求。 特点：过采样结构、调节器和数字滤波器。过采样特点：过采样结构、调节器和数字滤波器。过采样结构在较宽的频率范围内扩展噪声功率。调节器形结构在较宽的频率范围内扩展噪声功率。调节器形成低频噪声或将其推到更高频率。数字滤波器可以成低频噪声或将其推到更高频率。数字滤波器可以平滑噪声信号并将其从高频信号中消除。逐次逼近平滑噪声信号并将其从高频信号中消除。逐次逼近型的信噪比为型的信噪比为6.02N+1.76，其中，其中N为转换器位数。为转换器位数。转换器的信噪比是转换器的信噪比是6.02(N+NINC)+1.

31、76，其中，其中，N是调节器位数，是调节器位数，NINC是增加的分辨率是：是增加的分辨率是：M是调节器阶数，是调节器阶数，K是转换过程中的过采样速率。是转换过程中的过采样速率。 过采样技术过采样技术图图2.22过采样技术原理图过采样技术原理图 图图2.23 带模拟滤波和数字滤波的过采样带模拟滤波和数字滤波的过采样 -调制及噪声整形技术调制及噪声整形技术 调制器由差动器、积分器和比较器构成调制器由差动器、积分器和比较器构成, 它们一起构它们一起构成一个反馈环路。噪声整型特性成一个反馈环路。噪声整型特性:将模拟输入与反馈将模拟输入与反馈信号信号(误差信号误差信号) 进行差动进行差动(delta)

32、比较比较, 将比较产生将比较产生的差动输出馈送到积分器的差动输出馈送到积分器( sigma) 中中, 然后将积分器然后将积分器的输出馈送到比较器中。比较器的输出同时将反馈的输出馈送到比较器中。比较器的输出同时将反馈信号信号(误差信号误差信号) 通过一位通过一位DAC 后传送到差动器后传送到差动器, 而而自身被馈送到数字滤波器中。自身被馈送到数字滤波器中。图图2.24 一阶一阶- ADC 图图2.25 -调制器的频域线性化模型调制器的频域线性化模型 图图2.26整形后的量化噪声分布整形后的量化噪声分布 数字滤波和采样抽取技术数字滤波和采样抽取技术 图图2.27 M=4的采样抽取的采样抽取 图图2

33、.28二阶二阶- ADC 图图2.29 信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系 4. V/F型型ADC智能仪器中常用的另一种智能仪器中常用的另一种ADC是是V/F型型ADC。它主要由。它主要由V/F转换器和计数器构成。转换器和计数器构成。V/F型型ADC的特点是：与积分式的特点是：与积分式ADC一样，对一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。合；易于实现光电隔离。 5. 直接型直接型输入模拟信号输入模拟信号比较器输出比较器输

34、出C7 C6 C5 C4 C3 C2 C1 数字输出数字输出D2 D1 D00uIVREF/14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0VREF /14 uI 3 VREF /14 0 0 0 0 0 0 1 0 0 13 VREF /14 uI 5 VREF /14 0 0 0 0 0 1 1 0 1 05 VREF /14 uI 7 VREF /14 0 0 0 0 1 1 1 0 1 17 VREF /14 uI 9 VREF /14 0 0 0 1 1 1 1 1 0 09 VREF /14 uI 11 VREF /14 0 0 1 1 1 1 1 1 0 111 VREF /14 u

35、I 13 VREF /14 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013 VREF /14 uI VREF /14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1优点：转换速度很快，故又称优点：转换速度很快，故又称高速高速A/DA/D转换器转换器。含有寄存器。含有寄存器的的A/DA/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保不用附加取样保持电路持电路。缺点：电路复杂，对于一个缺点：电路复杂，对于一个n n位二进制输出的并行比较型位二进制输出的并行比较型A/DA/D转换器，需转换器，需n n -1-1个电压比较器和个电压比较器和2 2n n -1-1个触发器，编码

36、电路也个触发器，编码电路也随随n n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。较器灵敏度的限制。 因此，这种转换器适用于因此，这种转换器适用于高速，高速， 精度较低精度较低的场合。的场合。 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的特点：转换器的特点：mVVV44.2096410101221分辨率分辨率= 1. 1. 分辨率分辨率 分辨率指分辨率指A/DA/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个上讲，一个n n位二进制数输出的位二进制数输出的A/DA/D转换器应能区分输入

37、模拟电转换器应能区分输入模拟电压的压的2 2n n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的（满量程输入的1/21/2n n）。）。 FSRn21例如，例如，A/DA/D转换器的输出为转换器的输出为1212位二进制数，最大输入模拟信号位二进制数，最大输入模拟信号为为10V10V，则其分辨率为，则其分辨率为 三、三、ADC的技术指标的技术指标2. 2. 转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器从接到转换启动信号开始，到输转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。出端获得稳定的数字信号所经过的

38、时间。 A/DA/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型类型A/DA/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最慢最慢，需，需几百毫秒几百毫秒左右；左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度较快较快，需，需几十微秒几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度最快最快，仅需，仅需几十纳秒几十纳秒时间。时间。 3. 3. 转换误差转换误差 它表示它表示A/DA/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量转换

39、器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用之间的差别。常用最低有效位的倍数最低有效位的倍数表示。表示。例如，转换误差例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。LSB21例：某信号采集系统要求用一片例：某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯片在转换集成芯片在1s1s内对内对1616个热电个热电偶的输出电压分数进行偶的输出电压分数进行A/DA/D转换。已知热电偶输出电压范围为转换。已知热电偶输出电压范围为0 025mV25mV（对应于（对应于0

40、0450450温度范围），需分辨的温度为温度范围），需分辨的温度为0.10.1，试问应选择几，试问应选择几位的位的A/DA/D转换器？其转换时间为多少？转换器？其转换时间为多少？解：解：4500145010 .分辨率分辨率= 409612112 12位位ADC的分辨率的分辨率= 故需选用故需选用1313位位A/DA/D转换器。转换器。ms562161. 转换时间转换时间= 4. 精度精度 绝对精度绝对精度 绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值。电压的差值。 绝对精度

41、由增益误差、偏移误差、非线性误绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误差以及噪声等组成。差以及噪声等组成。 相对精度相对精度相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比。与模拟满量程值之比。 偏移误差。偏移误差。ADC的偏移误差定义为使的偏移误差定义为使ADC的输出最低位的输出最低位为为1，施加到，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理模拟输入端的实际电压与理论值论值1/2(Vr2n)(即即0.5LSB所对应的电压值所对应的电压值)之之差（又称为偏移电压）。差（又称

42、为偏移电压）。 增益误差增益误差增益误差是指增益误差是指ADC输出达到满量程时，实际模输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。入满量程的百分数表示。 线性度误差线性度误差ADC的线性度误差包括积分线性度误差和微分的线性度误差包括积分线性度误差和微分线性度误差两种。线性度误差两种。a积分线性度误差积分线性度误差积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性点的

43、直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。度误差。 b微分线性度误差微分线性度误差积分线性度误差是从总体上来看积分线性度误差是从总体上来看ADC的数的数字输出，表明其误差最大值。但是，在很字输出，表明其误差最大值。但是，在很多情况下往往对相邻状态间的变化更感兴多情况下往往对相邻状态间的变化更感兴趣。微分线性度误差就是说明这种问题的趣。微分线性度误差就是说明这种问题的技术参数，它定义为技术参数，它定义为ADC传输特性台阶的传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于量的

44、差值对于Vr/2n的偏离值。的偏离值。 图图2.17 ADC的积分线性度误差的积分线性度误差 图图2.18 ADC的微分线性度误差的微分线性度误差 与微分线性度误差直接关联的一个与微分线性度误差直接关联的一个ADC的常用的常用术语是失码（术语是失码（Missing Cord）或跳码）或跳码(Skipped Cord)，也叫做非单调性。，也叫做非单调性。 图图2.19 ADC的失码现象的失码现象 温度对误差的影响温度对误差的影响 环境温度的改变会造成偏移、增益和线环境温度的改变会造成偏移、增益和线性度误差的变化。性度误差的变化。 v信噪比（信噪比（SNR）v有效转换位数（有效转换位数（ENOB）

45、v孔径误差孔径误差v无杂散动态（无杂散动态（SFDR）v非线性误差非线性误差v互调失真（互调失真（Intermodulation Distortion）v总谐波失真（总谐波失真（Total Harmonic Distortion）四、ADC的器件介绍补充内容2.3 ADC并行采集技术研究采样率采样率(Hz)分分辨辨率率v非均匀采样信号的频谱v误差对ADC性能的影响v误差的时域和频域测量、误差的校正v时间交替并行采集系统与HFB采集系统的关系v并行采集系统的硬件实现0ADC1MADC1ADCMUXX0(n)Xm-1(n)X1(n)信信号号时时钟钟X(n)延延迟迟T Ts sx(t)（1）采样信号

46、同时到达每片ADC的输入端。（2）共有M个采样通道，每一路的采样率为Fs/M。（3）相邻通道之间的采样时间间隔为1/Fs， 则合并输出后的数据率可达到Fs。1、时间交替并行采集系统模型、时间交替并行采集系统模型v时间误差时间误差：由于布线和时钟延迟等原因，时钟到达每片ADC的时间间隔不是准确的1/Fs ，导致非均匀采样。v增益误差增益误差：从模拟信号到数字信号的转换过程中，因不同ADC的增益不同而带来的误差。v偏置误差偏置误差：由于各片ADC的基准地的差异，将会对每片ADC带来增益偏置。 三种误差是同时存在的，在不同的应用环境中误差值也不同，误差校正应具有实时性。时间交替并行采集系统存在的问题

47、：时间交替并行采集系统存在的问题：2、非均匀采样信号的频谱、非均匀采样信号的频谱()t (M-0T2TMT1)T图 1 均匀采样x(t)t2 0()X t0tD1tTD22tTD1)1(DMtTM0tMTD图非均匀采样x(t)( )()0,11dkxnx nMTkTkM( )()()kkkkkdkkkx ng x nMTkTtog xnroD( )dkX( )( )( )kj rkkdkkXg XeO w时域：频域：2 ()21100( )( )( )112112()()2()kk rMMjljlkaMMkklklkXXOg eXlo elTMMTTMMT 1212()2()allllA Xl

48、BlTMTTMT 2 ()2211001( )()kkk rMMjljlrjklkMMMkkkgA lg eeeMM 1(2/)01( )MjM lkkkB lo eM其中 0022( )( ) ()( ) ()ssllllXA lB lTMTM 12( )()alXXlTT设输入单频信号0jte得到其非均匀采样信号的频谱为得到3、误差对、误差对ADC系统性能的影响系统性能的影响对单频信号，只有时间误差时：012( )( )2()lXA llTMT 012/(2/)01( )ksMjrffjlkMkA leeM可推得：2102|(0)|()10log1 |(0)|timeASNRA例如：M2时

49、，2210(0)cos (/)sAr ff1010()20logcot(/)timesSNRr ff10/sr ff同样可得：101,21(0)()20logmax( )timelMASFDRA l只有增益误差时，设kgD服从均值为0，方差为g的均匀分布，可得： 10()20log ()gaingSNR 101,21(0)()20logmax( )gainlMASFDRA l只有偏置误差时：2102|(0)|()10log ()offsetoASNR100,1,21(0)()20logmax( )offsetlMASFDRB l三种误差共存时：210112210|(0)|()10log|( )

50、|( )|totalMMllASNRA lB l101,210,11(0)()20logmax(max( ),max( )totallMlMASFDRA lB l4、误差的测量、误差的测量-频域方法频域方法2 ()2211001( )()kkk rMMjljlrjklkMMMkkkgA lg eeeMM1(2/)01( )MjM lkkkB lo eM计算步骤：4、误差的测量、误差的测量-时域方法时域方法样本满足条件：01111( )sin(2/)0NNdksknnxnf nfNN00/skffmffMD11( )Nkknox nN0( )( )sin2()sin()kkkkkkfx nx n

51、ognMkrgf22222111111( )1cos(2)cos(2)2222NNNkkkkknnnggxnggNNN212( )NkkngxnN000011( )( )cos2()2Nkkkkng gfx xx n x nrkNf 0002arccos()2kkkx xfrkfg g 则：令：5、误差的校正、误差的校正( )()kkdkkkx ng xnro( )( )/kkky nL x nog0( )( )0,1,2,1pmkmkmh ncn rnN1100000( )( )( )( )pppNNmnnmmkmkmkmknmmnmHzcn r zcn zrCz r ( )kkjwjwrr

52、dkz eHez( )sin ()dkkhnc nr10( )( )kNrnkknHzh n zz1100000( )( )( )( )pppNNmnnmmkmkmkmknmmnmHzcn r zcn zrCz r FARROW结构：6、ADC并行采集系统的仿真并行采集系统的仿真7、时间交替并行采集系统与、时间交替并行采集系统与HFB采集系统的关系采集系统的关系8、时间交替并行采集系统的硬件实现、时间交替并行采集系统的硬件实现最大采样率：400MHz 最大分辨率：12Bit有效位数（ENOB）: 9Bit 无杂散动态范围(SFDR)：55dB总体谐波失真（THD）: 55dB最高采样率：210

53、MSPS 最大分辨率：12位最大模拟输入带宽：700MHz 差分输入电压范围1.5Vp-p有效位数：10.6位（70MHz模拟输入，210MSPS）两路3.3V CMOS交替输出或以LVDS输出 设计目标：AD9430技术指标：系统方案：系统方案：图2-43 400MHz/12Bit并行采集系统实物图 D/A D/A转换器实质上是一个转换器实质上是一个译码器译码器（解码器）。一般常（解码器）。一般常用的线性用的线性D/AD/A转换器，其输出模拟电压转换器，其输出模拟电压uO O和输入数字量和输入数字量D Dn n之间成之间成正比关系正比关系。U UREFREF为参考电压。为参考电压。 D/A

54、D/A转换器是将输入的转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。以电压或电流的形式输出。 uo或或io 输输出出 D/A d0 d1 dn1 输输入入 Dn (LSB) (MSB) uODnUREF2.4 2.4 数模转换器数模转换器 将输入的每一位二进制代码将输入的每一位二进制代码按按其其权值权值大小大小转换转换成相应成相应的模拟量，然后将代表各位的的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加模拟量相加，则所得的总模，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。的转换。 1-n

55、0iREFiiREF00REF11REF2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu 1-n0iii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：即：D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压u uO O，等于代码为，等于代码为1 1的各位所对应的各位所对应的各分模拟电压之和。的各分模拟电压之和。 D/A D/A转换器一般由转换器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器、模拟电子开关模拟电子开关、参考电压参考电压、解码网络解码网络和和求和电路求和电路等组成。等组成。 数码缓冲数码缓冲寄存器寄存器n位数控位数控模拟开关模拟开关解码网络解码网络n位数字位数字量输入量输

56、入模拟量模拟量输出输出求和电路求和电路参考电压参考电压n n 位位D/AD/A转换器方框图转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-

57、3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 1. 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网络权电阻网络DAC原理图原理图 二、二、D/AD/A转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式权电阻权电阻双向模拟开关双向模拟开关数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器运算放大器 集成运算放大器，作为集成运算放大器，作为求和求和权电阻网络的缓冲，并将电流权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。转换为电压输出。 Sn

58、-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 0I0d2R2UR2UI1diii1nREFi1nREFii时，时，时，时，权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析 开关开关S Si i的位置受数据锁存器输出的数码的位置受数据锁存器输出的数码d di i控制：控制：当当d di i=1=1时，时，S Si i将对将对应的权电阻接到参考电压应的权电阻接到参考电压U UREFREF上；当上；当d di i

59、=0=0时，时，S Si i将对应的权电阻接地将对应的权电阻接地。i1nREFii1nREFii2R2UdR2UdI 虚短虚短 1-n0iii1-nREFi -1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII虚断虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为运算放大器输出电压为 1n0iii1nREFFFO2dR2URIRu令令 R RF F=R/2 =R/2 ，则，则nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比正比于输入的数字量于输入的数字量D Dn n，从而实现，从而实

60、现了从数字量到模拟量的转换。了从数字量到模拟量的转换。因而因而u uO O的变化范围是的变化范围是 REFnnU2120 当当Dn=Dn-1D0=0时，时，uO=0；当当Dn=Dn-1D0=111时，时， 。REFnnOU212u 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器的特点转换器的特点优点：结构简单，电阻元件数较少；优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R