MATLAB/Simulink仿真在模數(shù)轉(zhuǎn)換器教學(xué)中的應(yīng)用

陳楠 龍飛

摘 要： 針對模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）教學(xué)中，學(xué)生僅依賴?yán)碚搶W(xué)習(xí)，很難和實際ADC結(jié)構(gòu)及應(yīng)用聯(lián)系起來等問題，以目前應(yīng)用較為廣泛的流水線型ADC為例， 探討MATLAB/Simulink仿真在ADC教學(xué)中的應(yīng)用。通過在Simulink環(huán)境下搭建流水線ADC的行為模型，并進(jìn)行仿真結(jié)果演示，使學(xué)生對此類ADC的結(jié)構(gòu)和工作原理有了直觀的認(rèn)識，提高了課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： Simulink； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）； 流水線； 仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）09-36-03

Application of MATLAB/Simulink simulation in the teaching of ADC

Chen Nan， Long Fei

（Guizhou university for nationalities information engineering institute， Guiyang， Guizhou 550025， China）

Abstract： In the teaching of analog-to-digital converter （ADC）， the students rely only on theoretical study， it is difficult to link with the actual ADC structure and the application. Taking the widely used pipelined ADC as an example， this paper discusses the application of MATLAB/Simulink in the teaching of ADC. In the Simulink environment， the behavior model of pipelined ADC is built， and the simulation results are presented， which makes the students understand the structure and working principle of this type of ADC， and the teaching effect is improved.

Key words： Simulink； analog-to-digital converter（ADC）； pipelined； simulation

0 引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電子系統(tǒng)。在現(xiàn)代生活中，從普通的數(shù)據(jù)采集到復(fù)雜的數(shù)字信息處理，從智能手機到互聯(lián)網(wǎng)，ADC在各式各樣的電子設(shè)備中成為連接周圍物理世界到數(shù)字信號處理設(shè)備的重要橋梁。在電子信息類的本科教學(xué)中，讓學(xué)生認(rèn)識并掌握好ADC的工作原理，對于后續(xù)復(fù)雜電子電路系統(tǒng)中模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的分析與設(shè)計會有很大幫助。但由于目前ADC的種類繁多，工作原理和結(jié)構(gòu)各異，學(xué)生在學(xué)習(xí)時，往往僅掌握了A/D轉(zhuǎn)換的基本原理，即采樣、量化、編碼，而無法將其和實際的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，對書本上繁瑣的結(jié)構(gòu)原理圖，感到很抽象乏味。學(xué)生在這部分的學(xué)習(xí)中常無法達(dá)到預(yù)期的效果。為應(yīng)對實驗課時較少及實驗室硬件設(shè)備的不足，我們采用MATLAB/Simulink軟件中豐富的電路元件庫，來搭建和模擬目前常用的ADC行為模型及其電路結(jié)構(gòu)，通過修改各種相關(guān)參數(shù)，可以模擬電路的真實工作情況，實時的顯示實驗結(jié)果。

1 MATLAB/Simulink仿真軟件簡介

Matlab是一個通用的科學(xué)計算平臺，適用于工程各領(lǐng)域的分析設(shè)計與復(fù)雜計算。Simulink是其提供的一個圖形化仿真環(huán)境，同時也是一個集建模、仿真和分析于一體的工具箱。采用直觀的圖形化形式進(jìn)行電路圖輸入，軟件界面友好、操作方便、簡單易學(xué)。該軟件在Windows平臺上運行。Simulink提供了大量的功能塊，建模時用鼠標(biāo)點擊與拖拽庫中的功能塊，并將它們連接起來即可。用戶可以將功能塊組成子系統(tǒng)來建立多級模型。功能塊和連接的數(shù)目沒有限制。Simulink框圖還提供了交互性很強的非線性仿真環(huán)境。用戶可以通過菜單執(zhí)行仿真，或使用命令進(jìn)行批處理。仿真結(jié)果可以在運行的同時通過示波器或圖形窗口顯示[1]。

2 MATLAB/Simulink在模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)各種不同的應(yīng)用場合，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的不同需求ADC同時發(fā)展出各種各樣的結(jié)構(gòu)。其主要結(jié)構(gòu)有：全并行ADC、折疊內(nèi)插ADC、逐次逼近ADC、流水線型ADC和Σ-ΔADC等[2]。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理教學(xué)中，由于受學(xué)時等因素限制，無法將這幾類ADC的結(jié)構(gòu)和工作原理都依依詳述，因此選擇轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高、應(yīng)用廣泛的流水線結(jié)構(gòu)的ADC為主要講授內(nèi)容。本文以1.5位/級10位流水線型ADC為例，說明Simulink在其系統(tǒng)建模及仿真中的應(yīng)用。

2.1 1.5位/級10位流水線ADC結(jié)構(gòu)分析

一個標(biāo)準(zhǔn)的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前端采樣保持電路、子級流水線單元、數(shù)字校正電路組成[3]。每級流水線（通常最后一級除外）單元包括一個MDAC和一個子ADC，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，每級流水線由子模數(shù)轉(zhuǎn)換器（子ADC）產(chǎn)生一組數(shù)字碼輸出，然后將這個數(shù)字碼通過子DAC重新轉(zhuǎn)換為模擬信號，并與輸入到該級的模擬信號相減得到一個模擬余量電壓值，該余差電壓被放大輸出到下級流水線單元。

每級中的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器由低分辨率的FLASH ADC構(gòu)成，例如1.5bit/級的結(jié)構(gòu)每級需要兩個比較器，比較器電壓分別為Vref/4和-Vref/4。由于比較器的失調(diào)電壓容易導(dǎo)致誤差，因此通過添加冗余位到各級的數(shù)字輸出，并將所得的數(shù)字碼送入數(shù)字校正模塊進(jìn)行校正，即可消除此可能導(dǎo)致的誤差[4]。經(jīng)過校正的Dout即為模擬輸入信號Vin通過該流水線ADC后得到的數(shù)字輸出。

2.2 基于Simulink的1.5bit/級流水線ADC仿真模型

利用Simulink的Ports&Subsystems子庫中的Subsystem模塊搭建如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。其中pipeline stage子系統(tǒng)中由九級流水線單元級聯(lián)而成，前八級結(jié)構(gòu)完全相同。

第九級為一個兩位的并行FLASH ADC。Delay cell子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成各子級數(shù)字碼的統(tǒng)一輸出。Error correction子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成數(shù)字校正。另外為了方便學(xué)生對比輸入/輸出結(jié)果，在模型中還格外添加了一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即圖2中所示的Analog out子系統(tǒng)。整個模型的核心部分就是流水線子系統(tǒng)。在圖3中分別表示了各級流水線單元結(jié)構(gòu)框架、子ADC結(jié)構(gòu)，以及子DAC結(jié)構(gòu)。

2.3 1.5bit/級10位流水線ADC仿真分析

根據(jù)基于simulink所建立的流水線ADC模型，當(dāng)設(shè)置參考電壓Vref=5V時，可以得到圖4所示仿真結(jié)果，圖4（a）為第一級殘差電壓隨輸入信號的傳輸曲線；圖4（b）圖為第二級殘。

差電壓的傳輸曲線。由圖4可以看出，采用該模型所得到的每級傳輸曲線和理想曲線基本相符。

本文將一個頻率為1MHz的正弦信號作為此流水線ADC的輸入信號，在采樣頻率分別為10MHz和100MHz的情況下，得到經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后再根據(jù)所得數(shù)字信號恢復(fù)的模擬信號與原信號的對比圖，如圖5（a）、（b）所示。

從圖5可以看出，只要滿足奈奎斯特采樣頻率的大小，輸入信號經(jīng)過該ADC后基本都能復(fù)原，采樣頻率越高，波形恢復(fù)越接近原始信號，但伴隨著采樣頻率的提高，輸出波形也會有很多高次諧波的產(chǎn)生。由此可知，通過利用Simulink來對ADC建模是可行的。本文所述模型是一個接近理想的模型，我們還可以改變模塊中的參數(shù)，例如加入電容失配、放大器增益誤差等[5]，來觀察這些參數(shù)對波形的影響，并通過系統(tǒng)仿真來進(jìn)行分析。

3 結(jié)束語

本文應(yīng)用MATLAB/Simulink環(huán)境快速、完整的搭建出了流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的行為模型，可實時地顯示出實驗結(jié)果，學(xué)生利用該仿真軟件學(xué)習(xí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理時，不僅可以直觀生動地觀察到整個器件的工作過程、各階段的信號變化以及該ADC的輸入輸出特性曲線，還可以在現(xiàn)有理想模型的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行該ADC的非理想模型的搭建，并在軟件系統(tǒng)引導(dǎo)下逐步進(jìn)行更深的研究。將MATLAB/Simulink仿真技術(shù)應(yīng)用在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的教學(xué)中，突破了對各種結(jié)構(gòu)ADC的學(xué)習(xí)限制，實現(xiàn)了理論和實踐的緊密結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

[1] 石良臣.MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真超級學(xué)習(xí)手冊[M].人民郵電出版社，2014.

[2] 王學(xué)權(quán).10位流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.4.

[3] 李萌.基于Matlab的新型Pipeline ADC的建模和仿真[J].電子器件，2008.31（3）.

[4] Stephen H. Lewis. A 10-b 20-Msample/s Analog-to-Digital Converter[J]. IEEE JOURANAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，1992.27（3）：351-358

[5] 宮月紅.流水線型ADC誤差及相應(yīng)校正策略研究[J].微電子學(xué)與計算機，2014..31（5）.