模数数模转换及其应用论文.docx

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模数数模转换及其应用论文

模数、数模转换及其应用

摘要：

随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用，利用电子系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。

数字电子计算机所处理的都是不连续的数字信号，而实际遇到的大都是连续的模拟量，模拟量经过传感器转换成电信号的模拟量后，需经过模/数转换变成数字信号后才可输入到数字系统中进行处理和控制。

同时，往往还要求将处理后得到的数字信号再经过数/模转换成相应的模拟信号，作为最后的输出。

模数、数模转换建立在各种转换电路的基础上，并且不断改进模数、数模转换器的转换精度与转换速度。

模数、数模转换技术在工业中有着重要的应用。

关键字：

电子系统模数转换器数模转换器转换技术的应用

Digitaltoanalog、digitaltoanalogconversionanditsapplication

Abstract:

Withtherapiddevelopmentofelectronictechnologyandcomputerintheautomaticdetectionandautomaticcontrolsysteminthebroadapplication,theuseofelectronicsystemforprocessinganalogsignalconditionsbecomemorecommon.Digitalelectroniccomputerprocessingarenotcontinuousdigitalsignal,butactuallyencounteredmostlycontinuousanalog,analogquantitysensorisconvertedintoelectricalsignalsbyanalog,afterA/Dconversionintodigitalsignalcanbeinputtoadigitalsystemforprocessingandcontrol.Atthesametime,alsooftenseektreatmentreceiveddigitalsignalsthroughD/Aconversionintoacorrespondinganalogsignal,asthefinaloutput.ADC,DACbasedonconversioncircuitbasedoncontinuousimprovement,andmodule,digitaltoanalogconverterconversionprecisionandconversionrate.ADC，DACtechnologyinindustryhasimportantapplications.

Keywords:

electronic　system；analog　to　digital　converter；digital　to　analog　converter；conversion　technology　application

１引言

作为把模拟电量转换成数字量或数字量转换成模拟电量输出的接口电路，转换器是现实世界中模拟信号通向数字信号的桥梁，是电子技术发展的关键和瓶颈所在。

当前，为了适应计算机、通讯和多媒体技术的飞速发展以及高新技术领域的数字化进程不断加快，在工艺、结构、性能上都有了很大的进步，正在朝着低功耗、高速、高分辨率的方向发展。

随着计算机、通信和多媒体技术的飞速发展，全球高新技术领域数字化的程度已不断加深。

如今电子产业已经形成了以数字技术为主体的格局，特别是半导体产业显的尤为突出。

半导体技术数字化和集成化的日益提高，在推动微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、微机械电子系统（MEMS）的发展中，也推动了“嵌入”或“隐性”模数转换技术的发展。

在这些因素的影响下，模数转换与数模转化技术正朝着高精度、高速度的发展方向迈进。

为了适应发展的要求，转换技术也变得越来越复杂。

本文就模数转换与数模转化所应用的主要转换技术以及各自的特点做一简要的介绍。

２主要Ａ/D转换技术

模数转换技术主要有以下几种：

（1）积分型ADC

积分型ADC应用比较广泛的是双积分型转换器。

它的基本原理是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，与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现模数转换。

其原理如图

（1）所示。

其工作分为两个阶段，第一阶段为采样期；第二阶段为比较期。

通过两次积分和计数器的计数可以得到模拟信号的数字值

，其中n为计数器的位数，为输入电压在固定时间间隔内的平均值。

双积分型转换方式的特点表现在：

精度较高，可以达到22位；抗干扰能力强，由于积分电容的作用，能够大幅抑止高频噪声。

但是，它的转换速度太慢，转换精度随转换速率的增加而降低，每秒100~300次（SPS）对应的转换精度为12位。

所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域。

图

（1）积分型ADC原理图

（2）逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC由比较器、D/A转换器、逐次逼近寄存器（SAR）、时钟发生器和逻辑控制单元组成。

如图

（2）所示，转换中的逐次逼近是按对分原理，由控制逻辑电路完成的。

其大致过程如下；启动转换后，控制逻辑电路首先把SAR的最高位置1，其它位都置0，SAR的这个内容经数模转换后得到约为满量程输出一半的电压值。

这个电压值在比较器中与输入信号进行比较。

比较器的输出反馈到数模转换器，并在下一次比较前对其进行修正。

在逻辑控制电路的时钟驱动下，不断进行比较和移位操作，直到完成最低有效位（LSB）的转换，此时所产生的ADC输出逼近输入电压的正负1/2LSB。

当每一位都确定后，转换结果被锁存到SAR并作为ADC输出。

由于逐次逼近型模数转换器在1个时钟周期内只能完成1位转换，N位转换需要N个时钟周期，故这种模数转换器采样速率不高，输入带宽也较低。

它的优点是原理简单，便于实现，不存在延迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。

图

（2）逐次逼近型ADC原理图

（3）并行转换ADC

并行转换又称为闪烁型转换方式，是一种直接的模数转换方式。

它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到，因此，在所有的模数转换中，它的转换速度最快。

这种转换器的结构如图（3）所示。

并行转换的主要特点是它的转换速度特别快，特别适合高速转换领域。

缺点是分辨率不高，一般都在10位以下；精度较高时，功耗较大。

这主要是受到了电路实现的影响，因为一个N位的并行转换器，需要

个比较器和分压电阻，当N=10时，比较器的数目就会超过1000个，精度越高，比较器的数目越多，制造越困难。

图（3）并行转换ADC原理图

（4）过采样

型ADC

型ADC又称为过采样转换器，这种转换器由

调制器及连接于其后的数字滤波器构成，如图（4）所示。

调制器的结构近似于双积分模数转换器，包括1个积分器和个比较器，以及含有1个1位数模转换器的反馈环，这个内置的数模转换器仅仅是一个开关，它将积分器输入切换到一个正或负的参考电压。

模数转换器还包括一个时钟单元，为调制和数字滤波器提供适当的定时。

窄带信号送入

模数转换器后被以非常低的分辨率（1位）进行量化，但采样频率却非常高。

经过数字滤波处理后，这种过采样被降低到一个比较低的采样率；同时模数转换器的分辨率（即动态范围）被提高到16位或更高。

尽管

模数转换器采样速率较低，且限于比较窄的输入带宽，但在模数转换器市场上仍占据很重要的位置，目前在音频领域得到广泛的应用。

它具有三个主要优势：

低价格、高性能〔高分辨率，可达24位以上〕；集成化的数字滤波；与DSP技术兼容，便于实现系统集成。

图（4）过采样

型ADC原理图

（5）流水线结构ADC

流水线结构（图5）的模数转换器能够提供高速、高分辨率的模数转换，并且具有令人满意的低功率消耗和很小的芯片尺寸（意味着低价格），目前广泛应用于视频信号处理领域。

流水线结构的模数转换器采用多个低精度的子模数转换器对采样信号进行分级量化，然后将各级的量化结果组合起来，再经过数字校正单元，构成一个高精度的量化输出。

每一级由采样/保持电路（S/H）、低分辨率模数转换器和数模转换器以及求和电路构成，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/保持器对输入信号取样后先由一个M位分辨率的A/D转换器对输入进行量化,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L级这样的处理后,最后由一个的K位A/D转换器对残余信号进行转换。

将上述各级A/D的输出组合起来即构成高精度的N位输出。

流水线结构简化了模数转换器的设计，并具有以下优点：

每一线的冗余位优化了重叠误差的纠正；允许流水线各级同时对多个采样进行处理；更低的功率消耗；更高的采样速度，价格更低，所需设计时间更少、难度更小；很少有比较器进入亚稳态，从根本上消除了闪烁码和温度计气泡。

同时，流水线模数转换器也存在一些缺点：

复杂的基准电路和偏置结构；输入信号必须穿过数级电路，造成流水线延迟；同步所有输出需要严格的锁存定时；对工艺缺陷较敏感，会影响增益非线性、失调及其它参数；与其它转换技术相比，对印制板布线更敏感。

图（5）流水线结构ADC原理图

（6）折叠差值转换ADC

折叠插值型转换方式通过预处理电路，同时得到高位和低位数据，信号预处理的方法是折叠。

折叠就是把输入较大的信号映射到某一个较小的区域内，并将其转换成数字信号，这个数据为整个数字量的低位数据。

然后再找出输入信号被映射的区间，该区间也以数字量表示，这个数据为整个数字量的高位数据。

高位和低位数据经过处理，得到最后的数字信号。

实际的折叠电路是由多个差分对构成的。

以低位为5位量化为例，采用4个折叠电路，那么每个折叠区间会有4个折叠波，再通过插值的方法，利用8个电阻分压产生的基准电压，调节这4个折叠电路，就可以得到另外的7组折叠波，这样可以产生32路折叠波，然后把这32路折叠后的信号送入比较器，再经过编码，产生低位数据。

图（6）就是折叠插值转换方式的原理图。

折叠插值转换方式的特点是：

数据的两次量化是同时进行的，具有全并行转换的特点，速度较快；电路规模及功耗不大，如这里的8位转换器只需40个比较器。

折叠插值方式存在的问题是信号频率过高时，有所谓“气泡”现象产生，需要额外的处理电路；且当位数超过8位时，如要保持较少的比较器数目，折叠插值变得十分麻烦，所以一般只用于8位以下的转换器当中。

图（6）折叠差值转换ADC原理图

（7）光学模数转换器（OADC）

近几年，研究人员提出了一种基于光学延时的模数转换器，其中的一种实现方案如图（7）所示，它采用超连续的宽光谱的EDFL光纤激光器（谱宽为几十纳米，脉冲宽度为亚皮秒，重复率为吉赫兹左右），经时一段光纤的传输后，首先经过一个偏振分束器（PBS），然后将偏振光通过一个WDM器件，将其分成若干个波长，各个波长各自通过不同长度的保偏光纤后，由法拉第镜将各个波长的光反射回去，再次经过WDM和偏振分束器后，合成一路包含不同波长光的脉冲序列，通过一个调制器对射频信号进行采样，采样后的脉冲序列再经过另一个WDM器件，将其按波长分配到不同的光路上，实现了并行处理。

采用这种方案的一种器件做到了18Gsps的采样速率和7bit的采样精度。

图（7）光学模数转换器

３主要D/Ａ转换技术

数模转换技术主要有以下几种：

（1）权电阻数模转换DAC

权电阻转换器如图（8）所示。

图（8）权电阻转换器

因为运算放大器同相端接地，所以反相端为虚地，电位为0，从而有：

由于运放输入阻抗很大，Ii=0，从而有：

而运放的输出电压为：

权电阻D/A转换器的缺点是电阻的阻值太多，如果是8位转换器需要8个电阻，阻值范围从R到128R，要保证这么大范围的阻值精度范围都小于0.5%是很难的，特别是在大规模生产中。

（2）R/2R倒T型电阻网络转换DAC

R/2R倒T型电阻D/A转换器如图（9）所示。

图（9）R/2R倒T型电阻D/A转换器

由于该转换器中的电阻值不是R就是2R，所以克服了权电阻转换器中电阻值多的缺点。

该转换器输入数字量与输出模拟量之间的关系，可以用在该转换器的输入端输入数字量1000、0100、0010和0001，然后计算出对应各个数字量的模拟量的方法获得。

①数字量为1000的情况

数字量为1000，也就是除D3=1外，D2、D1、D0都是0，这种情况如图（10）所示。

图（10）

由于D2=D1=D0=0，根据电阻串并连的规律，有REQ=2R。

由于运放的反相端是虚地，所以实际上没有电流流过REQ。

由此有电流I：

由此可以得到对应数字量1000的模拟量输出电压是：

②数字量为0100的情况

如果数字量为0100，就是说D3=0、D2=1、D1=0、D0=0，这种情况如图（11）所示。

图（11）

这种情况下流过电阻Rf的电流I为

则输出的模拟量为

③数字量为0010的情况

如果数字量为0010，就是说D3=0、D2=0、D1=1、D0=0，这种情况如图（12）所示。

图（12）

这种情况下流过电阻Rf的电流I为

则输出的模拟量为

④数字量为0001的情况

如果数字量为0001，就是说D3=0、D2=0、D1=0、D0=1，这种情况如图（13）所示。

图（13）

这种情况下流过电阻Rf的电流I为

则输出的模拟量为

若是数字量不是上述4种情况，则肯定是上述4种情况的叠加，这时输出模拟量也是上述4种输出模拟量的叠加。

（3）R/2RT型电阻网络D/A转换器

图（14）是R/2RT型电阻网络D/A转换器。

图中，运放输入端V－的电位总是接近于0V（虚地），所以无论数字量D3、D2、D1、D0控制的开关是连接虚地还是真地，流过各个支路的电流都保持不变。

为计算流过各个支路的电流，可以把电阻网络等效成图（15）的形式。

可以看出，从A、B、C和D点向左看的等效电阻都是R，因此从参考电源流向电阻网络的电流为I=VR/R，而每个支路电流依次为I/2，I/4，I/8，I/16。

各个支路电流在数字量D3、D2、D1和D0的控制下流向运放的反相端或地，若是数字量为1，则流入运放的反相端，若数字量为0，则流入地。

图（14）R/2RT型电阻网络D/A转换器

图（15）各个支路电流的等效网络

４Ａ/D转换技术的应用及发展

A/D转换技术的新发展及应用前景随着数字技术的发展，也有了长足的进步和发展，新型的ADC正朝着低功耗、高速、高分辨率的方向发展。

在此基础上，还要考虑功耗、体积、便捷、多功能、与计算机及通信网络的兼容性。

主要的应用领域不断拓宽，广泛应用于多媒体、通讯、自动化、仪器仪表等领域。

采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。

当ADC利用高抽样率和数字信号处理技术，将抽样、量化、数字信号处理融为了一体，从而获得了高精度的ADC，目前可达24位，主要应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。

低电源、低功耗、高速、高精度A/D和D/A转换器是主导发展产品，其中16位100~200MHZ及8~10位10GHZ的高性能A/D转换器是新一代先进雷达、电子战和通讯电子系统的关键器件之一，

如今，模数转换技术已经变得复杂多样，但由以上分析可以看出，它有着如下的发展趋势：

结构不断简化。

一方面减少制作难度相对较大、在芯片中特性匹配要求较高的部件的数量，减少高速比较器、宽带运放、精密电阻等。

另一方面减少模拟部件，尽可能多地采用成熟的数字电路。

现代ADC制造商为用户应用考虑的越来越多，用户在方案设计时一定要在器件选型上下一些功夫，针对实际应用的具体要求尽量做到选型合理，这样往往可以简化设计、降低成本、提高性价比。

模数转换器在数字多媒体电子系统中应用的扩大，其市场呈稳步增长势头。

同时人们对转换器性能的要求越来越高，其技术难度越来越大，对模数转换技术的研究开发更加活跃，将不断将产品向更高性能推进。

５D/Ａ转换技术应用及发展

交流伺服电机在近20年得到了越来越广泛的应用，尤其是电力电子技术、计算机技术以及自动控制技术的迅猛发展，使得交流伺服电机调速直接取代直流伺服电机调速。

为交流伺服控制系统建立一个稳定性好，精确度高的外D/A转换电路，成为提高交流伺服控制系统性能关键，在电子和自动化技术的应用中，单片机和D/A转换器是经常需要同时使用的，然而许多单片机内部并没有集成D/A转换器，即使有些单片机内部集成了D/A转换器，D/A转换器的精度往往也不高，在高精度的应用中还是需要外接D/A转换器，这样增加了成本。

但是，几乎所有的单片机都提供定时器或者PWM输出功能。

如果能应用单片机的PWM输出（或者通过定时器和软件一起来实现PWM输出），经过简单的变换电路就可以实现D/A转换，这将节省大量D/A转换器芯片，降低电子设备的成本、减少体积，提供了稳定、精确的模拟信号。

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