模数转换原理概述

模数转换原理概述

近年来，随着数字预处理技术的发展和电子产品质量要求的不断提高，模型数转换技术引起了人们的注意。在现实生活中,声音、图像等都属于模拟信号,这些信号在时间上和幅度上都是连续的,这样的信号如果要进行传送、存储或者计算机处理,首先得通过A/D转换,将模拟的信号转换为数字信号,然后再进行处理。采用最早并且目前应用最广泛的“模-数转换”方法是脉冲编码调制,即PCM,简称脉冲调制。如图1。1基本原则脉冲编码调制是最基本的模数转换原理。1.1模拟信号的量化抽样就是采集样本或样值,在时间上对模拟信号按等长或任意间隔进行分段,取分段点的信号的电平值,这一系列的信号电平值就是代表模拟信号的抽样值。用这些离散的抽样值来替换原来连续的模拟信号波形的过程称为抽样。抽样时必须满足奈奎斯特抽样定理。2.2量化把模拟信号经过在时间轴上抽样后获得的取样电平值,用一预定精度的数近似地表示的过程叫做量化(quantization)。目前,量化主要有均匀量化和非均匀量化两种:输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。非均匀量化是根据信号的不同区间来确定量化间隔的。实际中,非均匀量化的实现方法是将抽样值通过压缩后再进均匀量化。2.3编码编码就是用n位(bit)的m进制数码(可以是2进制,4进制,8进制等)表示取样元的量化值。这是最基本的原理,实际应用中,他有很多局限性,远远不能满足实际需要,这就需要对他进行改进,近几十年,出现了许多新的方案,像对数量化PCM、自适应量化PCM等。这些方案都是在均匀量化PCM的基础上改进和发展起来的。参阅图2和表1中的均匀量化PCM。2a/d转换电路A/D转换的,硬件方式和软件方式。近年来有关A/D转换器的集成电路(IC)开发及其应用技术受到人们的普遍关注,国内外许多半导体公司相继推出了一些不同特点或应用功能的A/D芯片,A/D转换集成电路的设计目标是通过单片IC芯片把输入的模拟电信号转换成脉冲形式的数字信号输出,从电路结构上看,当前实现A/D转换功能主要有闪烁型、电容积分型、逐次逼近型、流水线型和Σ-△型等。2.1比较器/编码电路结构闪烁型A/D转换电路采用并行比较结构,模拟输入同时与2N-1个参考电压比较,只需一次转换就得到N位二进制数量.它的转换时间只受到比较器和编码电路延迟时间的限制;精度主要取决于电阻串的匹配精度和比较器的失调电压.框图如图3。该结构的优点主要是电路结构最简单、转换速度最快,精度比较高。缺点是分压电阻和比较器的数量与分辨率成指数关系,从而导致输入电容、面积与功耗都非常大;而且比较器的亚稳态和失配均会引起闪烁码,造成输出不稳定。所以,闪烁型A/D转换电路特别适合超高速但低分辨率的场合,像无线通信,基站等。2.2a/d转换电路电容积分型A/D转换是一种以时间作为中间变量的间接方式的A/D转换方式,结构框图如图4。它通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔,并在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数,从而实现A/D转换。这种转换电路的优点是抗干扰能力较强,主要因为前端使用了积分器,其积分相当于对长时间采样的测量过程求平均值,能抑制高频噪声和固定工频干扰,在增加分辨率的同时减小噪音;并且对电路元器件的精度要求不高,可以用精度比较低的元器件制成精度较高的A/D转换器.缺点是转换时间随分辨率成指数增长,转换速度比非积分型器件要慢许多。适合于传感器、振动分析,数字仪表等低速精密测量领域,在需要提高转换速度的场合,可以使用多斜率积分型和新颖的基于电流模式的算法等。2.3逐次有效d/d转换电路逐次逼近型A/D转换电路使用二分搜索算法,结构框图如图5。优点是占用面积小,复杂度和功耗通常低于其它类型的A/D转换电路,同时分辨率也较高,且不存在延迟问题。缺点是转换速度慢。主要用于地震数据采集,仪器仪表,工业控制等设备中。逐次逼近型A/D转换电路的性能主要取决于N位D/A转换器.早期的D/A转换器用精密电阻网络来实现,精度不高;目前多采用的以电容阵列为基础的电荷重分布型D/A转换器,可以达到很高的精度,分辨率最高达到22bite,在此基础上实现的A/D转换电路精度可16bit.相对于传统的二分搜索算法,双逐次逼近算法、双抽样技术等可以有效地提高转换速度。2.4噪声衰减特性∑-△型A/D转换则是用过采样技术实现,结构框图如图6所示。Σ-△型A/D转换的突出优点是转换精度高,可达24bit以上.它将过采样技术和噪声整形技术、数字滤波技术相结合来获得高分辨率和理想的噪声衰减特性;只需要少量关键的模拟器件,大部分功能都在数字领域完成,同时降低对元器件匹配精度的要求。但过采样技术要求采样频率远高于输入信号频率,限制了输入信号的带宽;且随着过采样率的增加,功耗会大大增加。因此,这类A/D芯片主要应用于音频、数据测量等低频高分辨率场合。2.5a/d转换电路流水线型A/D转换电路采用多个低分辨率的闪烁型A/D转换电路对采样信号进行分级量化,然后将各级的数字输出进行延迟和组合校正,产生一个高分辨率的数字输出。图7所示为走级流水线型A/D转换电路的结构框图。这种A/D转换电路的优点是:每级都有独立的抽样/保持电路,可以同时对前一级的余量进行处理,达到很高的转换速率;可提高分辨率;能大大降低电路规模与功耗。缺点是需要复杂的基准电路与偏置结构;输入信号必须穿过数级电路,造成流水线延迟;而各级输出必须要严格同步;要求50%的占空因数以及最小的时钟频率等。该类型电路适用于数码相机,摄像机和医疗图像等分辨率较高的场合。硬件实现方式现在已经取得了很大的成就,技术比较成熟,应用也比较广泛,但还需要人们不断改进设计技术与应用算法,采用更先进的工艺,朝着速度更快,集成度更高,成本和功耗更低的方向发展。2.6量化log-pcm近年来,许多A/D转换是通过软件的方式实现的。譬如一些语音芯片对语音信号的处理过程,它是将.wav格式的模拟音频信号通过一个应用程序将它转化为数字形式的。当然程序的算法可根据实际需要选择,比如均匀量化PCM,对数量化LOG-PCM,自适应量化PCM等。像市场上许多用于玩具上的语音芯片的编解码就是基于LOG-PCM的。编程语言可以用各种计算机语言,如C,C++Java等。由于转换了的数字信号的数据量很大,存储时往往采用压缩技术,通常是将模/数转换和压缩一起实现,也就是编写一个应用程序能同时实现模/数转换和压缩的功能。目前,运用软件实现方式实现语音芯片的模数转换,是一种非常高效的方式。虽然编写程序比较难,但一旦程序写好了,实现起来就相当容易了。目前,国内许多用于玩具上的语音芯片都是通过软件方式实现语音信号的模数转换的,大部分都是基于LOG-PCM编码技术的。这种软件实现方式还有待进一步发展。向着程序更简单,功能更完善,实现更容易的方向发展。3a/d转换算法本文介绍了A/D转换的基本原理,以及常见的几种实现方式。随着消费电子、