通信1303张然13211074数电研讨

北京交通大学数字电子技术研究论文A/D转换电路的外特性研究——分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路的设计思路学院：电信学院专业：通信工程学号：13211074学生：张然指导教师：任希2015年12月目录一A/D转换的基本原理.................................................................................................................1二A/D转换的过程.........................................................................................................................2三当前的几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究.............................................................23.1积分型A/D转换器原理及外特性....................................................................................33.2逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性....................................................................33.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性....................................................................43.4过采样Σ-Δ型AD转换电路的原理及外特性...............................................................43.5流水线型AD转换电路的原理及外特性..........................................................................43.6几种AD转换电路的外特性比较......................................................................................6四设计一个分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路（不计成本）.....................64.1通过对上述A/D转换电路外特性的研究确定设计思路................................................64.2闪烁型A/D转换电路的设计思路....................................................................................74.3流水线型A/D转换电路....................................................................................................7五对其未来发展的展望...............................................................................................................10六总结..........................................................................................................................................10A/D转换电路的外特性研究——分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路的设计思路张然北京交通大学电子信息工程学院通信1303班摘要：本文是设计一个分辨率为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。其中主要是从A/D转换器的原理入手，构建了此电路。同时对A/D领域未来的发展进行展望。关键字：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Abstract：ThispaperistodesignAresolutionfor32-bit,convertingspeedfor10ns(ignoringcost)A/Dconversioncircuitandparallelcomparisontypepipelinecircuittwodesigntrainofthought.MainlyfromtheA/Dconverter,theprincipleofthiscircuitisconstructed.Atthesametime,thepaperpointsoutthefuturedevelopmentofA/Dfield.Thekeyword：ExternalcharacteristicpipelineA/Dconversioncircuit；TheparallelcomparisontypeA/Dconversioncircuit；Conversionspeed；distinguishability一、A/D转换的基本原理A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。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。A/D转换器的工作原理主要介绍以下三种方法：逐次逼近法、双积分法、电压频率转换法。(1).逐次逼近法逐次逼近式A/D是比较常见的一种A/D转换电路，转换的时间为微秒级。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成。基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近式A/D转换器原理框图逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若ＶoＶi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若ＶoＶi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。(2)双积分法采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分式A/D转换的原理框图双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Ｖi，Ｖi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间Ｔ的正向积分，时间Ｔ到后，开关再接通与Ｖi极性相反的基准电压ＶＲＥF，将ＶＲＥF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Ｖi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Ｖi所对应的数字量，实现了A/D转换。(3)电压频率转换法采用电压频率转换法的A/D转换器，由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成。它的工作原理是Ｖ/F转换电路把输入的模拟电压转换成与模拟电压成正比的脉冲信号。电压频率式A/D转换原理框图电压频率转换法的工作过程是：当模拟电压Ｖi加到V/F的输入端，便产生频率F与Vi成正比的脉冲，在一定的时间内对该脉冲信号计数，时间到，统计到计数器的计数值正比于输入电压Vi，从而完成A/D转换。二、A/D转换的过程A/D转换可分为4个阶段：即采样、保持、量化和编码。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2．5～3倍的最高频率成分。要把一个采样信号准确地数字化，就需要将采样所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。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。图给出了A／D采样电路的采样时序图，采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码。采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码，量化是将时间连续、数值离散的信号转换成时间离散、幅度离散的信号；编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。到此，也就完成了A/D转换，这些过程通常是合并进行的。三、当前的几种较为常见的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，研究不同电路的速度和精度，我们会发现这两者之间又有什么内部联系呢？3.1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。积分型A/D转换器与此同时，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A/D转换;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。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。双积分型转换方式是一种将模拟量转化为时间量，再从时间量转化为数字量的间接转换方式，并且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，是的电路的抗干扰能力强。但是，正是由于它是一个以时间量作为中间变量的电路，故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。目前每秒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，如数字仪表领域。3.2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转换器的工作原理可以用天平测量质量来比较，设被测物的质量在量程内，根据优选法，先去最大的砝码（相当于满量程的一半），看天平如何倾斜，已决定该砝码的去留；然后依次取四分之一量程，八分之一量程等的砝码，最终可以以最小砝码逼近被测质量。类似的，它是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同逐次比较型A/D转换器的参考电压不断进行比较，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。由其转换电路的原理可知，其分辨率要求越高，则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转换速率。由于该电路中有数模转换器，故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，所以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。故其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。3.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性并行比较器也称Flash（闪烁型）ADC，是一种最便于理解，最直接并且是当前速度最快的转换方案。它主要由电阻分压网络、比较器、编码器等组成。并行比较型A/D转换器这种A/D转换器速度是最快的