几种模数转换技术的分析比较

引言

模数转换是将模拟输入信号转换为N位二进制数字输出信号的技术。采用数字信号处理能够方便实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模数转换的应用日趋广泛。为了满足市场的需求，各芯片制造公司不断推出性能更加先进的新产品、新技术，令人目不暇接。本文就几种最为常用的模数转换技术进行分析比较。

1 模数转换技术

模数转换包括采样、保持、量化和编程四个过程。采样就是将一个连续变化的信号x(t)转换成时间上离散的采样信号x(n)。根据奈奎斯特采样定理，对于采样信号x(t)，如果采样频率fs大于或等于2fmax（fmax为x(t)最高频率成分），则可以无失真地重建恢复原始信号x（t）。实际上，由于模数转换器器件的非线性失真，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取fs=2.5fmax。通常采样脉冲的宽度tw是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。实现这些过程的技术有很多，从早在上世纪70年代就出现的积分型到最新的流水线模数转换技术，种类繁多。由于原理的不同，决定了它们性能特点的差别。

1.1 积分型模数转换器

积分型模数转换器称双斜率或多斜率数据转换器，是应用最为广泛的转换器类型。典型的是双斜率转换器，我们就以其为例说明积分型模数转换器的工作原理。双斜率转换器包括两个主要部分：一部分电路采样并量化输入电压，产生一个时域间隔或脉冲序列，再由一个计数器将其转换为数字量输出，如图1所示。

双斜率转换器由1个带有输入切换开关的模拟积分器、1个比较器和1个计数单元构成。积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应于内部计数单元的最大地数。时间到达后将计数器复位并将积分器输入连接到反板性（负）参考电压。在这个反极性信号作用下，积分器被"反向积分"直到输出回到零，并使计数器终止，积分器复位。

积分型模数转换器的采样速度和带宽都非常低，但它们的精度可以做得很高，并且抑制高频噪声和固定的低频干扰（如50Hz或60Hz）的能力，使其对于嘈杂的工业环境以及不要求高转换速率的应用有用（如热电偶输出的量化）。

1.2 逐次逼近型模数转换器

逐次逼近型转换器包括1个比较器、1个数模转换器、1个逐次逼近寄存器（SAR）和1个逻辑控制单元，如图2所法。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逐次逼近寄存器的最高位置1，其它位置0，逐次逼近寄存器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，逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作，直到完成最低有效位（LSB）的转换。这时逐次逼近寄存器的各位值均已确定，逐次逼近转换完成。

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。

1.3 闪烁型模数转换器

与一般模数转换器相比，闪烁型模数转换器速度是最快的。由于不用逐次比较，它对N位数据不是转换N次，而是只转换一次，所以速度大为提高。图3所示为N位闪烁型模数转换器的原理。转换器内有一定参考电压，模拟输入信号被同时加到2N-1个锁存比较器。每个比较器的参考电压由电阻网络构成的分压器引出，其参考电压比下一个比较器的参考电压高一个最低有效位。当模拟信号输入时，风参考电压比模拟信号低的那些比较器均输出高电平（逻辑1），反之输出低电平（逻辑0）。这样得到的数码称之为温度计码。该码被加到译码逻辑电路，然后送到二进制数据输出驱动器上的输出寄存器。

尽管闪烁型转换器具有极快的速度（最高1GHz的采样速率），但其分辨率受限于管芯尺寸、过大的输入电容以及数量巨大的比较器所产生的功率消耗。结构重复的并行比较器之间还要求精密地匹配，因此任何失配都会造成静态误差，如使输入失调电压（或电流）增大。

闪烁型模数转换器还易产生离散的、不确定的输出，即所谓的"闪烁码"。闪烁码主要有两个来源：2N-1个比较器的亚稳态及温度计编码气泡；不匹配的比较器延迟会使逻辑1变为逻辑0（或反之），如同温度计中出现了一个气泡。由于模数转换器中的编码单元无法识别这种错误，经过编码后的输出同样会出现"闪烁"。

闪烁型模数转换器的另外一个考虑因素是管芯尺寸。一个8位闪烁型转换器比同等位数的流水线模数转换器要大将近7倍。如果与流水线结构作进一步的比较，闪烁型转换器的输入电容和功率消耗分别要高出6倍和2倍。