探究模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)及其發(fā)展趨勢

張紅

摘 要 本文通過對模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的結(jié)構(gòu)、原理、工作方式及特點(diǎn)進(jìn)行簡要分析，并對模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)中存在的問題進(jìn)行針對性分析，從而對模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)；分類；發(fā)展趨勢

中圖分類號 TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）189-0038-02

隨著我國技術(shù)水平的提高與數(shù)字化程度的加深，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)今電子產(chǎn)業(yè)的主體格局，同時數(shù)字技術(shù)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用也較為顯著。數(shù)字信號處理器、微動控制器及微機(jī)械電子系統(tǒng)，在現(xiàn)今半導(dǎo)體技術(shù)數(shù)字化和集成化的推動下，促使“隱性”及“嵌入”模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，同時模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)也朝著高速度、高精度的方向穩(wěn)步前進(jìn)。

1 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的分類

模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的有效手段，而現(xiàn)今能夠使模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)可以分為以下幾個方面。

1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)化技術(shù)中的積分型轉(zhuǎn)換

在高精度、低速度的測量領(lǐng)域中積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在數(shù)字儀表領(lǐng)域積分型轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)得到普及應(yīng)用。積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)有兩種轉(zhuǎn)換方式分別為：一是單積分模數(shù)轉(zhuǎn)換；二是雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換。

積分模型轉(zhuǎn)換技術(shù)兩種工作原理也有所差異，單積分模數(shù)轉(zhuǎn)換是將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闀r間間隔，在通過對時間間隔進(jìn)行記數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)化。單積分模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度較低，比較器精度、斜坡電壓發(fā)生器的精度，以及時鐘脈沖穩(wěn)定型都會對其產(chǎn)生較大的影響[1]。

如果想要在同樣條件下積分型轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度可以得到提升，可以使用雙積分轉(zhuǎn)換方式來進(jìn)行轉(zhuǎn)化操作。在轉(zhuǎn)換過程中，由于斜坡發(fā)生器會產(chǎn)生較大的誤差，而使用雙積分型轉(zhuǎn)換器就可以通過模擬輸入信號所產(chǎn)生的兩次積分，對誤差進(jìn)行部分抵消，使轉(zhuǎn)換精度有所提升。雙積分型轉(zhuǎn)換方式的精度較大，可達(dá)到22位，同時其對于外界因素的影響較小。雙積分轉(zhuǎn)換方式中的積分電容可以對高頻噪聲進(jìn)行抑制。雖然雙積分轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換精度較高，但是其轉(zhuǎn)換速度過慢，其轉(zhuǎn)換速度隨著轉(zhuǎn)換精度的降低而升高，每秒100～300次時轉(zhuǎn)換精度為12位。因此，在低速高精度的轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中雙積分轉(zhuǎn)換方式得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)化技術(shù)中的逐次逼近型轉(zhuǎn)換

逐次逼近型轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換原理是二分搜索法的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換法。逐次逼近轉(zhuǎn)換方式對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換時，是通過運(yùn)用不同的已知、不同參考的電壓進(jìn)行數(shù)次的比較，從而使所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量的數(shù)值與輸入模擬量的對應(yīng)值更為接近。逐次逼近型轉(zhuǎn)換方式具有較高的轉(zhuǎn)換速度[2]。在分辨率低于12位的情況下，與其他轉(zhuǎn)換方式相比其成本較低。模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在應(yīng)用過程中，需要使用數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，而數(shù)模轉(zhuǎn)換電路具有較高的精度，因此，其中使用的電容和電阻也需要具有較高的網(wǎng)絡(luò)匹配度，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的精度較低。

1.3 模數(shù)轉(zhuǎn)化技術(shù)中的并行轉(zhuǎn)換

模數(shù)轉(zhuǎn)換方式中，并行轉(zhuǎn)換具有最快的轉(zhuǎn)換速度。并行轉(zhuǎn)換是直接對模型信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換方式，其大幅度減少了轉(zhuǎn)換的步驟，幾乎可以同一時刻得到轉(zhuǎn)換的數(shù)字代碼，所以并行轉(zhuǎn)換稱為閃爍型轉(zhuǎn)換方式。并行轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速度快，所以其適合在高速轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中應(yīng)用[3]。并行轉(zhuǎn)換速度雖然具有較快的轉(zhuǎn)換率，但是其分辨力較低，分辨力一般都在10位以下，如果想要提高精度，所消耗較大的功效才可以達(dá)成。并行轉(zhuǎn)換受電路的影響較大，精準(zhǔn)度越高，所需的比較器的數(shù)目也就越多，也會加大制造的困難程度。

1.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)中的過采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換

過采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換方式在音頻領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。過采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換方式的組成分為兩個部分，一是，Σ△調(diào)制器；二是，數(shù)字濾波器，而在過采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換中Σ△調(diào)制器是核心組成部分。Σ△調(diào)制器利用反饋電路和積分器中的噪聲成型功能，可以將基帶中大部分量化噪聲轉(zhuǎn)移出去，從而使得Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換方式的精度較高，最大值可以達(dá)到24位以上[4]。因?yàn)樵讦病髡{(diào)制時，采樣頻率在一般情況下，都是最高信號頻率的64～256倍，所以這種模數(shù)轉(zhuǎn)換方式，被稱為過采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換。調(diào)制后的模擬信號，可以得到相應(yīng)的高速Σ△數(shù)字流，其中也包含的高聲頻率較多，因此，得到的數(shù)字流不能直接使用，需要采用數(shù)字濾波，將高頻噪音去除，或者將高頻噪聲進(jìn)行降頻處理，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號以信號最高頻率的兩倍進(jìn)行輸出。

過采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換具有較高的精度，最大精度可達(dá)到24位以上。因?yàn)樵谶^采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換方式中，所使用的過度采樣調(diào)制、數(shù)字濾波及噪音成形等關(guān)鍵性技巧的使用，促進(jìn)了數(shù)字和模擬集成技術(shù)的長處得以發(fā)揚(yáng)，同時在電路處理時可以有效減少高度復(fù)雜的數(shù)字信號和模擬元件使用的同時，可以使轉(zhuǎn)換速度達(dá)到最大的精度[5]。在過采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換方式中大部分使用的都是數(shù)字電路，而僅有5%是使用了模擬電路，同時模擬電路元件對于匹配性的要求也較低，使得圖像傳感器技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

2 模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)未來的發(fā)展方向

隨著數(shù)字多媒體電子系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在市場占有量也在日漸增加，而對于轉(zhuǎn)換器的性能要求也隨之不斷提高，相關(guān)的模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的轉(zhuǎn)換要求也在不斷提升，因此，對于模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究也成為現(xiàn)今模數(shù)轉(zhuǎn)換器提升的有效手段，使模數(shù)專業(yè)擁有更快的轉(zhuǎn)化速度和轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)率，成為研究工作的重點(diǎn)內(nèi)容[6]。未來模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展趨勢，可以大致分為以下3點(diǎn)內(nèi)容：

1）不斷簡化結(jié)構(gòu)。想要降低制度的難度較大，因?yàn)樵谛酒胁考蠖喽际切枰哂休^高的特性匹配度，所以通過對高速比較器、寬帶運(yùn)放及精密電阻等部件的減少，可以使模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)更加簡單，這也是并行方式從兩步法、多步法的發(fā)展到信號的預(yù)處理折疊、內(nèi)插法的發(fā)展原理。于此同時，模擬部件的介紹也可以使用成熟的數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，如現(xiàn)今模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)中的Σ△結(jié)構(gòu)就是通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換工作。

2）提高轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度的有效提高，是模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)展的主流趨勢，而現(xiàn)今的折疊插值型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度已經(jīng)達(dá)到8位/60MSPS。兩級流水型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度也已經(jīng)達(dá)到12位/4MSPS。

3）在速度提升的基礎(chǔ)上將分辨率盡可能的提升?，F(xiàn)今很多模數(shù)轉(zhuǎn)換方式的轉(zhuǎn)換速度均已得到快速提升，但是在提升速度的同時，其分辨率依然較低，因此，模數(shù)轉(zhuǎn)換方式速度提升的同時將分辨率進(jìn)行提升，已經(jīng)成為現(xiàn)今主流的發(fā)展趨勢，如現(xiàn)今過采樣Σ△模數(shù)轉(zhuǎn)換方式中精度度，已經(jīng)達(dá)到24位以上。

3 結(jié)論

綜上所述，本文對模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的幾點(diǎn)分類進(jìn)行分析，并對模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)在未來的發(fā)展方向進(jìn)行簡要論述。隨著電子信息技術(shù)和集成電路工藝的快速發(fā)展，使得模數(shù)轉(zhuǎn)換開展朝著速度更快、精準(zhǔn)度更高、更低的制造成本及更加簡單的發(fā)展方向發(fā)展。

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