模数转化是将模仿输入信号转化为N位二进制数字输出信号的技能。选用数字信号处理可以便利完结各种先进的自适应算法，完结模仿电路无法完结的功用，因而，越来越多的模仿信号处理正在被数字技能所替代。与之相应的是，作为模仿体系和数字体系之间桥梁的模数转化的使用日趋广泛。为了满意商场的需求，各芯片制作公司不断推出功用愈加先进的新产品、新技能，令人眼花缭乱。本文就几种最为常用的模数转化技能进行剖析比较。
1 模数转化技能
模数转化包含采样、坚持、量化和编程四个进程。采样便是将一个接连改变的信号x（t）转化成时刻上离散的采样信号x（n）。依据奈奎斯特采样定理，关于采样信号x（t），假如采样频率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康复原始信号x（t）。实际上，因为模数转化器器材的非线性失真，量化噪声及接收机噪声等要素的影响，采样速率一般取fs=2.5fmax。一般采样脉冲的宽度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，需求将采样输出所得的瞬时模仿信号坚持一段时刻，这便是坚持进程。量化是将接连起伏的抽样信号转化成离散时刻、离散起伏的数字信号，量化的首要问题便是量化差错。假定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距离和模数转化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。这些进程有些是兼并进行的，例如，采样和坚持就使用一个电路接连完结，量化和编码也是在转化进程一起完结的，且所用时刻又是坚持时刻的一部分。完结这些进程的技能有许多，从早在上世纪70年代就呈现的积分型到最新的流水线模数转化技能，品种繁复。因为原理的不同，决议了它们功用特色的不同。
1.1 积分型模数转化器
积分型模数转化器称双斜率或多斜率数据转化器，是使用最为广泛的转化器类型。典型的是双斜率转化器，咱们就以其为例阐明积分型模数转化器的作业原理。双斜率转化器包含两个首要部分：一部分电路采样并量化输入电压，发生一个时域距离或脉冲序列，再由一个计数器将其转化为数字量输出，如图1所示。
双斜率转化器由1个带有输入切换开关的模仿积分器、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刻距离内积分，该时刻距离一般对应于内部计数单元的最大地数。时刻抵达后将计数器复位并将积分器输入衔接到反板性（负）参阅电压。在这个反极性信号效果下，积分器被“反向积分”直到输出回到零，并使计数器停止，积分器复位。
积分型模数转化器的采样速度和带宽都十分低，但它们的精度可以做得很高，而且按捺高频噪声和固定的低频搅扰（如50Hz或60Hz）的才能，使其关于喧闹的工业环境以及不要求高转化速率的使用有用（如热电偶输出的量化）。
1.2 逐次迫临型模数转化器
逐次迫临型转化器包含1个比较器、1个数模转化器、1个逐次迫临寄存器（SAR）和1个逻辑操控单元，如图2所法。转化中的逐次迫临是按对分原理，由操控逻辑电路完结的。其大致进程如下：发动转化后，操控逻辑电路首先把逐次迫临寄存器的最高方位1，其它方位0，逐次迫临寄存器的这个内容经数模转化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。比较器的输出反应到数模转化器，并在下一次比较前对其进行批改。在逻辑操控电路的时钟驱动下，逐次迫临寄存器不断进行比较和移位操作，直到完结最低有用位（LSB）的转化。这时逐次迫临寄存器的各位值均已确认，逐次迫临转化完结。
因为逐次迫临型模数转化器在1个时钟周期内只能完结1位转化。N位转化需求N个时钟周期，故这种模数转化器采样速率不高，输入带宽也较低。它的长处是原理简略，便于完结，不存在推迟问题，适用于中速率而分辨率要求较高的场合。
1.3 闪耀型模数转化器
与一般模数转化器比较，闪耀型模数转化器速度是最快的。因为不必逐次比较，它对N位数据不是转化N次，而是只转化一次，所以速度大为进步。图3所示为N位闪耀型模数转化器的原理。转化器内有必定参阅电压，模仿输入信号被一起加到2N-1个锁存比较器。每个比较器的参阅电压由电阻网络构成的分压器引出，其参阅电压比下一个比较器的参阅电压高一个最低有用位。当模仿信号输入时，风参阅电压比模仿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。
虽然闪耀型转化器具有极快的速度（最高1GHz的采样速率），但其分辨率受限于管芯尺度、过大的输入电容以及数量巨大的比较器所发生的功率耗费。结构重复的并行比较器之间还要求精密地匹配，因而任何失配都会形成静态差错，如使输入失调电压（或电流）增大。
闪耀型模数转化器还易发生离散的、不确认的输出，即所谓的“闪耀码”。闪耀码首要有两个来历：2N-1个比较器的亚稳态及温度计编码气泡；不匹配的比较器推迟会使逻辑1变为逻辑0（或反之），好像温度计中呈现了一个气泡。因为模数转化器中的编码单元无法辨认这种过错，通过编码后的输出同样会呈现“闪耀”。
闪耀型模数转化器的别的一个考虑要素是管芯尺度。一个8位闪耀型转化器比平等位数的流水线模数转化器要大将近7倍。假如与流水线结构作进一步的比较，闪耀型转化器的输入电容和功率耗费别离要高出6倍和2倍。
1.4 ∑-Δ型模数转化器
∑- Δ转化器又称为过采样转化器。这种转化器由∑-Δ调制器及衔接及这以后的数字滤波器构成，如图4所示。调制器的结构近似于双斜率模数转化器，包含1个积分器和1个比较器，以及含有1个1位数模转化器的反应环。这个内置的数模转化器仅仅是一个开关，它将积分器输入切
换到一个正或负参阅电压。∑-Δ模数转化器还包含一个时钟单元，为调制和数字滤波器供给恰当的守时。窄带信号送入∑-Δ模数转化器后被以十分低的分辨率（1位）进行量化，但采样频率却十分高。通过数字滤波处理后，这种过采样被降低到一个比较低的采样率；一起模数转化器的分辨率（即动态规模）被进步到16位或更高。
虽然∑-Δ模数转化器采样速率较低，且限于比较窄的输入带宽，但在模数转化器商场上仍占有了很重要的方位。它具有三个首要优势：
*低价格、高功用（高分辨率）；
*集成化的数字滤波；
*与DSP技能兼容，便于完结体系集成。
2 流水线模数转化器
从上面临几种常用模数转化器的介绍不难看出，它们都存在这样或那样的缺乏，而流水线结构（或称为子区式）的模数转化器是更为高效和强壮的模数转化器。它可以供给高速、高分辨率的模数转化，而且具有令人满意的低功率耗费和很小的芯片尺度（意味着低价格）；通过合理的规划，还可以供给优异的动态特性。
流水线模数转化器的功用框图如图5所示。这种结构的模数转化器选用多个低精度的闪耀型模数转化器采样信号进行分级量化，然后将各级的量化成果组合起来，构成一个高精度的量化输出。每一级由采样/坚持电路（T/H）、低分辨率模数转化器和数模转化器以及求和电路构成，求和电路还包含可供给增益的级间扩大器。一个N位分辨率的流水线模数转化器完结一次采样的程序大致如下：
首级电路的采样/坚持器地输入信号采样后先由一个M位分辨率的粗模数转化器对输入进行量化，接着用一个至少N位精度的乘积型数模转化器（MDAC）发生一个对应于量化成果的模仿电平送至求和电路。求和电路从输入信号中扣除此模仿电平，并将差值准确扩大某一固定增益后送交下一级电路处理。通过L级这样的处理后，最终由一个较高精度的K位精密模数转化器对剩余信号进行转化。将上述各级粗、细A模数的输出组合起来构成高精度的N位输出。为了便于纠正堆叠差错，流水线各级电路都留有冗余位，即满意：
L×M+K＞N
其间，L为级数（制作商各有不同），M为各级中模数转化器电路的粗分辨率。K为精密模数转化器级的细分辨率，而N便是流水模数转化器的总分辨率。
流水线模数转化器中各级电路别离有自己的盯梢/坚持电路，因而，当信号传递给次级电路后本级电路的盯梢/坚持器就可释放出来处理下一次采样。这样就进步了整个电路的吞吐才能，一次采样可在一个时钟周期内完结。为了补偿不抱负的鸿沟效应，如温度漂移或乘积型数模转化器中电容的失配，部分流水模块转化器还配有校对单元。该单元一般用于流水线的多级（并非一切）电路中，使用两个校对码使乘积型数模转化器输出起伏等于VREF的跃变，任何与此跃变违背的成果都会被丈量到。各级转化器的差错被采集起来并存储到内部存储器中，正常作业时再将成果从RAM中取回并别离对流水线各环节的增益和乘积型数模转化器的电容失配进行补偿。
总归，流水线结构简化了模数转化器的规划，并具有以下长处：
*每一线的冗余位优化了堆叠差错的纠正；
*每一级具有各自独立的采样/坚持扩大器，前一级电路的采/保可以释放出来用于处理下一次采样，因而答应流水线各级一起对多个采样进行处理；
*更低的功率耗费；
*更高的采样速度，价格更低，所需设计时间更少，难度更小；
*很少有比较器进入亚稳态，从根本上消除了闪耀码温度计气泡。
但一起，流水线模数转化器也存在一些缺陷：
*杂乱基准电路和偏置结构；
*输入信号有必要穿过数级电路，形成流水推迟；
*同步一切输出需求严厉的锁存守时；
*对工艺缺隐较灵敏，会影响增益非线性、失调及其它参数；
*与其它转化技能比较，对印制板布线更灵敏。
可是，合理地规划多层印制板线可以战胜上述许多不利要素，外部元件的挑选和选用恰当类型的流水线模数转化器（最好包含内部级间增益和差错失配校准）也能进步体系的功用。
结束语
模数转化技能的开展一日千里，流水线模数转化技能仅仅其间一能较为优异的。信任跟着数字技能和微电子技能的迅速开展，必定会有更新、更好的模数转化技能呈现。最终期望本文能对读者在选用合适的模数转化器时供给必定的参阅。
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