【文章內(nèi)容簡介】 7 圖 21 取樣過程 量化和編碼 如前所 述，模擬輸入電壓 vi經(jīng)取樣保持后的輸出電壓 y’(t) 呈階梯狀，在取樣脈沖持續(xù)期 τ 內(nèi)， y’(t)= v i；在取樣脈沖間歇期 (TS173。τ) 內(nèi)， y’(t) 保持不變。這段時間 (TS173。τ)就是供給量化和編碼用的。 由于取樣保持后的電壓 y’(t) 的階梯高度仍是連續(xù)可變的，而不是離散的數(shù)字量，因此，為了用數(shù)字量來表示取樣得到的電壓，就必須把它化成某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。這個將 其 近似取整的過程就稱為量化。量化中所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用 S來表示。量化后的離散量用一相應(yīng)的二進(jìn)碼來表示便稱為編碼。顯然，編碼后所得數(shù) 字信號的最低有效位中的 “1” 所表示的數(shù)量大小，就等于量化單位 S。該數(shù)字信號就是 A／ D轉(zhuǎn)換的輸出信號。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 8 量化方法有只舍不入和有舍有入兩種，分別如圖 23(a)和 (b)所示。圖中 S為量化單位， vC(t)為取樣保持后量化之前的值，即 y’(t) ?，F(xiàn)設(shè) vC*(t)為量化后的值，則量化后所產(chǎn)生的誤差即量化誤差 ε(t) 為： ε(t)= v C(t)－ vC*(t) （ 22） 在圖 23(ａ )中，若 0＜ vC＜ 1V，則取 vC*＝ 0V；若 lV＜ vC＜ 2V， 則取 vC*＝ 1；等等。此時，量化誤差 ε(t) 總是正數(shù)，且量化誤差的最大值 ε max“ 等于量化單位 S。 圖 22 取樣保持波形圖 圖 23 量化的方法 在圖 23(b)中，若 0＜ vC＜ ，則取 vC*＝ 0V；若 ＜ vC＜ ，則取 vC*＝ lV；等等?？梢?，采用有舍有入方法量化時，量化誤差 ε(t)是可正可負(fù)的，且最大量化誤差的絕對值為 S/2 ，即 ∣ εmax∣ = S/2。由此可知，有舍有入量化法的量化誤差較 之 只舍不入的量化法的 要 小。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 9 A/D 轉(zhuǎn)換器的類型 A/D 轉(zhuǎn)換器主要有并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器和逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器，雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器和 ∑△ 型 A/D 轉(zhuǎn)換器等等。主要根據(jù)使用場合的具體要求，按照轉(zhuǎn)換速度，精度，價格，功能以及接口條件等因素來決定使用哪種類型。 逐次逼近型比較器由 C， D/A 轉(zhuǎn)換器，逐次逼近寄存器及控制邏輯電路組成。其工作原理如下：啟動信號到來時，控制電路將寄存器置 0，啟動信號之后的第一個時鐘脈沖 CP到來時，控制電路將寄存器最高位置 1，使寄存器輸出為 10…0 ，該數(shù)字量經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬電壓 V0。 V0與輸入電壓 Vi通過比較器進(jìn)行比較，若 Vi＜ V0，說明寄存器中數(shù)字 量大了，控制電路使寄存器最高位復(fù) 0；若 V0＜ Vi，說明數(shù)字量小了，寄存器最高位的 1 保留。在第 2 個時鐘脈沖到來時，控制電路將寄存器次高位置 1，并與最高位確定的結(jié)果一起送入 D/A轉(zhuǎn)換器，新的轉(zhuǎn)換結(jié)果 V0 再與 Vi比較，并根據(jù)比較結(jié)果確定次高位的 1 是否保留。此過程一直進(jìn)行下去，直至最低位比較完為止，此時寄存器所存的數(shù)碼就是模擬電壓 Vi 對應(yīng)的數(shù)字量。逐次逼近型比比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器的速度低，但在數(shù)字位數(shù)增多時，電路規(guī)模小得多。 雙積分型比較器屬于電壓 —— 時間變換型 A/D 轉(zhuǎn)換器，基本原理是：先把輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正 比的時間間隔，然后，在這一段時間間隔內(nèi)用計(jì)數(shù)器對時鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器由積分器（由運(yùn)算放大器 A，積分元件 C， R組成），比較器 C， n 位計(jì)數(shù)器，觸發(fā)器 FFA，模擬開關(guān) S0 和 S1 的驅(qū)動器 L0和 L1及門 G 組成。雙積分型比較器的優(yōu)點(diǎn)是工作性能穩(wěn)定，由于轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行了兩次積分，使得轉(zhuǎn)換結(jié)果與積分元件 R， C及時鐘周期 Tc 無關(guān)。因此，只要每次轉(zhuǎn)換中R， C， Tc 值不變化，而在長時間內(nèi)發(fā)生緩慢變化時不會影響轉(zhuǎn)換精度。抗干擾能力強(qiáng)，由于轉(zhuǎn)換器的輸入端使用了積分器，所以，對交流 噪音有很強(qiáng)的抑制能力，特別當(dāng)定時積分的時間 T1 為工頻信號周期的整數(shù)倍時，能有效的抑制來自電網(wǎng)的工頻干擾。這種電路的主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低，一般為每秒幾十次。 常規(guī)的 A/D 轉(zhuǎn)換器，是通過抽樣脈沖對輸入模擬信號抽樣，并將抽樣輸出進(jìn)行量化編碼來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的，這種方法稱為脈沖編碼調(diào)制。而在 ∑△ 型 A/D 轉(zhuǎn)換器中采用增量調(diào)制。增量調(diào)制的基本原理是把時間軸按抽樣間隔 △ t 進(jìn)行等分，把電壓軸按某一增量電壓△ 進(jìn)行等分，用階梯信號 x1（ t）來逼近輸入模擬信號 x（ t）。在抽樣脈沖 S1（ T）到來時，如果 x（ t）大于 x1（ t），則 x1（ t）上升一個 △值，否則，下降一個 △值。然后用一位代碼來表示 x1（ t），當(dāng) x1（ t）上升一個 △時代碼為 1，當(dāng) x1（ t）下降一個 △ 時，代碼為 0。輸沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 10 出的一位代碼反映了輸入信號在相鄰抽樣時刻的相對大小。顯然，要用 x1（ t）逼近 x（ t），抽樣頻率 Fs1 應(yīng)非常高才行， Fs1 一般為奈奎斯特頻率 fS的許多倍，通常稱這種抽樣為過抽樣。增量調(diào)制由減法器，鎖存比較器 C及積分器組成。鎖存比較器具有比較，抽樣，鎖存功能。工作原理如下：積分器將輸出的一位代碼變換成階梯波信號 x1(t)（實(shí)際為階梯波平滑后的結(jié)果），減法器對 x(t)與 x1(t)進(jìn)行差運(yùn)算，求出誤差信號 e(t)，鎖存比較器在抽樣脈沖到來時將 e(t)與 0 比較的結(jié)果鎖存并輸出。 ∑△ 型 A/D 轉(zhuǎn)換器由 ∑△調(diào)制器和數(shù)字濾波器構(gòu)成。在 ∑△調(diào)制器中，為了簡化電路將兩個積分器用一個積分器代替。數(shù)字濾波器具有數(shù)字抽樣和低通濾波的雙重功能。 ∑△ A/D 轉(zhuǎn)換器由于采用了先進(jìn)的轉(zhuǎn)換技術(shù)和使用 △調(diào)制器實(shí)現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于犧牲速度換取高分辨率，所以它的轉(zhuǎn)換精度高但轉(zhuǎn)換速度低。 閃爍式 A/D轉(zhuǎn)換器又稱為全并行 A/D轉(zhuǎn)換器，在現(xiàn)今常用的幾種結(jié)構(gòu)的 ADC 中是轉(zhuǎn)換速度最快的。采用雙極 (bipolar)工藝的 6位 FLASH A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率可以達(dá)到 2GHz以上。即使采用 CMOS工藝也能夠得到很高的采樣頻率。閃爍式 A/D轉(zhuǎn)換器的原理非常簡單、直觀。 N位并行 A/D轉(zhuǎn)換器由 2N一 1個比較器、一組產(chǎn)生參考電壓的電阻串和一個溫度計(jì)碼到二進(jìn)制碼的譯碼器構(gòu)成。 比較了以上幾種不同類型的比較器，該設(shè)計(jì)中的四位 A/D轉(zhuǎn)換器采用并行 ADC。采用該種結(jié)構(gòu)，可使電路比較簡單且有較高的轉(zhuǎn)換速度，由于輸出是四位的數(shù)字信號，電路結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜。 全 并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種速度 很 快的 A/D 轉(zhuǎn)換器。下面以 4 位并行比較型 A/D轉(zhuǎn)換器為例，介紹這種電路的工作原理。由分壓器，電壓比較器，寄存器及編碼器組成。分壓器由 16 個電阻組成，通過對參考電壓 VREF 分壓，獲得比較器 C0到 C14所需要的 15個比較電平，分別是 1/16VREF， 2/16VREF， …… ， 15/16VREF。 15 個比較器將輸入電壓 Vin與其反向端的比較電平進(jìn)行比較，若 VI大于比較電平，輸出為 0；否則，輸出為 1。 從比較器輸出的信號為 Thermo Code ，而編碼器的作用就是將 Thermo Code 轉(zhuǎn)換成 One－ hot Code，然后再由 One－ hot Code 最終轉(zhuǎn)換 為二進(jìn)制碼。 整個 ADC電路不是按時鐘同步運(yùn)行的，但為了將 ADC方便地用于外部其它系統(tǒng)，需要使這 4個 ADC的輸出信號同步輸出。這就需要一個保持電路來保存從編碼器輸級出的二進(jìn)制信號，所以在 ADC最后一級加上 D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)這一功能。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 11 圖 24 ADC 設(shè)計(jì)思路 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 12 由于電路采用并行比較方式， 其優(yōu)點(diǎn)在于其轉(zhuǎn)換速度，每個時鐘都會輸出一個數(shù)字。各位輸出數(shù)碼的獲取是相同的，因此，工作速度 最 高。該電路的轉(zhuǎn)換時間僅取決于比較器，觸發(fā)器，編碼器的延時時間。 但另一方面， 隨著分辨率的提高，所需要的 元件數(shù)目 及面積急劇增加。例如， 8 位 ADC 需要 255 個比較器，而 9 位 ADC 則需要 511 個。一般全并行ADC 的分辨率限制在 8 位，轉(zhuǎn)換速度為 10－ 40Ms/s。全并行 ADC 的缺點(diǎn)是需要 2N － 1個比較器，面積和功耗較大， 編碼器也得相當(dāng)復(fù)雜。 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率 分辨率指 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力，通常用 A/D 轉(zhuǎn)換器能夠區(qū)分的輸入電壓最小值表示。一個 n 位二進(jìn)制碼輸出的 A/D 轉(zhuǎn)換器，設(shè)其輸入模擬電壓的滿度值為 Vm，則 分辨率 =Vm/2n1 (23) 顯然，輸出位數(shù) n 越多，分辨能力越高，通常也用輸出數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率。 轉(zhuǎn)換誤差 轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論輸出量之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，給出相對誤差 ≤177。1LSB，則表明實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論上應(yīng)得到的數(shù)字量之間的誤差不大于最低位 1。有時轉(zhuǎn)換誤差也用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示，例如，A/D 轉(zhuǎn)換器輸出為十進(jìn)制的 321 位，轉(zhuǎn)換誤差為 177。%FSB，則滿量程輸出為 1999，最大輸出誤差小于最低位 1。轉(zhuǎn)換誤差是由電源波動，元器件誤差等各因素引起的綜合誤差。 轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到開始，到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。轉(zhuǎn)換時間和電路的類型有關(guān)。并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間最短，例如 8位二進(jìn)制輸出單片集成 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可小于 50ns。逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時間次之，多數(shù)這類產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換時間都在 10 到 100ms 之間。間接 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間最長，例如，雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間多在幾十 ms 到幾百 ms 之間。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 13 四位 A/D 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì) 全 并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器是由比較器 級、 編碼器 級 等部分組成。 比較器 級 比較器 級 的選用：在一些數(shù)字系統(tǒng)（例如數(shù)字計(jì)算機(jī)）當(dāng)中經(jīng)常要求比較兩個數(shù)字的大小。為完成這一功能所設(shè)計(jì)的各種邏輯電路統(tǒng)稱為數(shù)值比較器。 比較器廣泛應(yīng)用于模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中。在數(shù)模轉(zhuǎn)換過程中，首先必須對輸入進(jìn)行采樣。接著，經(jīng)過采樣的信號通過比較器以決定模擬信號的數(shù)值。 比較器可以被分為開環(huán)比較器和再生比較器兩種類型。開環(huán)比較器基于非補(bǔ)償運(yùn) 算放大器，再生比較器使用類似于傳感放大器（ sense amplifier）或觸發(fā)器（ flipflop）的正反饋來完成對兩個信號幅度的比較。第三類比較器綜合了開環(huán)和再生兩類比較器。這種綜合型比較器發(fā)展特別快。 圖 2－ 4表示在 cadence下一個兩級比較器晶體管原理圖 。 比較器需要差分輸入和足夠的增益已達(dá)到所要求的精度，因此兩級運(yùn)算放大電路可以很好的應(yīng)用于比較器。比較器大搜采用開環(huán)模式，這種簡化使得沒必要對比較器進(jìn)行補(bǔ)償。事實(shí)上，對比較器最好不要進(jìn)行補(bǔ)償，這樣可以使其具有最大的帶寬和較快的響應(yīng)。 圖 25 兩級比較器原圖 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 14 如圖所示的兩級比較器，我們首先關(guān)心的的是 OHV 和 OLV 的值。假設(shè) M6 柵極有一個最小電壓 6GV ，則最大輸出電壓可以寫成： （ 24） 相應(yīng)的可以得出兩級比較器的最小輸出電壓可以寫成： （ 2 5） 兩級比較器的基本結(jié)構(gòu)，包括一級差分比較加一級反相放大。采用差分輸入便于控制 比較器跳變電壓的離散性，使之對工藝和電源電壓的變化不敏感，而反相級則補(bǔ)償了差分輸入級增益低的缺陷，對輸出信號進(jìn)行放大。 這種結(jié)構(gòu)的比較器的小信號增益可寫為： 16( 0 )2 4 6 7( ) ( )mmVds ds ds dsggAg g g g? ?? （ 26） 設(shè)比較器的最小輸入電壓差為比較器的精度，定義比較器的最小輸入電壓為： ()( 0 )O H O LinvVVVA??最 小 （ 27） 利用式 (24)～ (27) 可以求出比較器的精度 (inV最 小 ） 首 先是第一級的輸出極點(diǎn) P1,其次是第二級的輸出極點(diǎn) P2，這兩個極點(diǎn)可以表示為： 11 2 41()ds dsP C g g??? 2 11 2 41()ds dsP C g g??? 表 21 列出了四位 ADC 比較器的轉(zhuǎn)換電壓及其對應(yīng)輸出的 Thermo Code。 表 21 比較器電壓轉(zhuǎn)換 inV 取值區(qū)間 1 4 1 3 1 2 1 1 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0C C C C C C C C C C C C C C C ? ? 76