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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目录弓|言3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2-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
2、思路 134.3 流水线型A/D转换电路 15五、未来发展展望1921六、总结20七、参考文献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
3、，并对其未来进行展望。关键词：外特性 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Abstractcomparison type andThis 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 ci
4、rcuits, we design a resolution for 32-bit, converting speed of 10 ns A/D conversion circuit in parallel pipeline type. Mainly from the A/D converter, the principle of this circuit is constructed. At the same time, the paper points out the future development of A/D field.Keywords: External characteri
5、stics, pipeline A/D conversion circuit, parallel comparison A/D circuit, conversion 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
6、数字量一般要经过四个步骤，分别称为采样、 保持、量化、编码。舞兽采样保持量化A编码 L时间离散化幅值离散化图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2. 53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
7、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。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，从最重的祛码开始试放，与被称物体行进比较，若物
8、体重于祛码， 则该祛码保留，否则移去。再加上第二个次重祛码，由物体的重量是 否大于祛码的重量决定第二个祛码是留下还是移去。照此一直加到最 小一个祛码为止。将所有留下的祛码重量相加，就得此物体的重量。 仿照这一思路，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
9、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，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。
10、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
11、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tn轼先筠码就D2 (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勺分辨率难以做得很高。3.4 过采样2
12、 -A型AD转换电路的原理及外特性E-AA/D转换器总体上来说由E-A调制器（又称增量调制器） 和数字抽取滤波器组成。E-AA/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At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2 - 型ADC由2 - 调制器和数字抽取滤波器两部分构 成。2-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
13、增量编码即2-码;数字抽取滤波器完成对2-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。2-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CMO破术实现。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，2-转换方式的转换速率一般在IMsps以内3.5 流水线型AD转换电路的原理及外特性流
14、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 ADCffi 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 MDACT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寸 残余信号进行转换。将上述各级粗
15、、细ADC勺输出组合起来即构成高 精度的n位输出。同位数学地出图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电路类型转换速度分辨率应用并行比帛交型A D转换速度最快一般在 125Msp5 lOGsp受到功率和 体积的限制分辨 率难以做得很高适用于速度要求特别高的领域如视频A密专操器等.水线型专换具有很高的转换速度lMsps-100Msps分辨率丰交高可达16位用于成像系统可实现高 分辨率,高品质的图像采集； 优异的频域和时域特性也能 够满足高速数据采集系统的 要求。逐次比莪型AD转换F转换速度中等采样速率可达1MSPS分辨率一般低于12位，
