模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換分類(lèi)及發(fā)展趨勢(shì)

摘要：二十世紀(jì)中后期以來(lái)，集成電路等迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)在各領(lǐng)域都有了極其廣泛的應(yīng)用，在此條件下，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)處理模擬信號(hào)的要求越來(lái)越強(qiáng)烈。我們?cè)趯?shí)際工作中，遇到的是大量的連續(xù)變化的模擬信號(hào)，即可連續(xù)變化的物理量，如溫度、流量、速度等，而如何將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)就變成了一個(gè)重要的問(wèn)題。本文將以模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換為研究對(duì)象，分析其主要原理、分類(lèi)以及在當(dāng)今科技中的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 電子技術(shù) 自動(dòng)控制 新材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TN9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2011)10(b)-0000-00

當(dāng)前，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換在各個(gè)領(lǐng)域都有十分討論廣泛的用途，ADC，Analog-to-Digital Converter的縮寫(xiě)，指模/數(shù)轉(zhuǎn)換器或者模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。真實(shí)世界的模擬信號(hào)，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉(zhuǎn)換成更容易儲(chǔ)存、處理和發(fā)射的數(shù)字形式。通常分四個(gè)步驟進(jìn)行，取樣、保持、量化和編碼。前兩個(gè)步驟合在一起在模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化電路內(nèi)完成。模擬信號(hào)是一個(gè)隨時(shí)間連續(xù)變化的電信號(hào)，它代表一個(gè)連續(xù)變化的物理量。要使這個(gè)信號(hào)所有瞬間的電平都變?yōu)閿?shù)字信號(hào)是辦不到的，只能將模擬信號(hào)每隔一定時(shí)間抽出一次樣值，這種做法叫取樣。把連續(xù)的模擬值用有限個(gè)數(shù)的代表值表示，這一過(guò)程稱為量化。編碼就是將量化的模擬信號(hào)電平變換成與之對(duì)應(yīng)的代碼。常用的代碼為二進(jìn)制碼，只有高低兩個(gè)電平，抗干擾能力強(qiáng)。

1 摸數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要類(lèi)型和工作原理

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要任務(wù)是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。目前，過(guò)程控制及信息處理工程上應(yīng)用的方案很多，主要有串聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、并聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串并聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、逐位逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。

1.1 串聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

串聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理是，按照最高碼位到最低碼位的順序逐位編碼，模擬信號(hào)經(jīng)取樣后送入第一電位比較器和第一相減器。在第一電位大于參考電平時(shí)，第一比較器就輸出最高位碼為“1”；若輸入幅度小于參考電平，則第一個(gè)比較器輸出最高位碼為“0”，以此類(lèi)推。串聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是邏輯操作次數(shù)多，如形成一個(gè)8比特字需經(jīng)8次電平比較，故要求電路動(dòng)作速度快。

1.2 并聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器由三個(gè)比較器、三個(gè)“異或”門(mén)和兩個(gè)“或”門(mén)組成。經(jīng)取樣的模擬信號(hào)同時(shí)由一個(gè)基準(zhǔn)電壓分壓、并與代表各個(gè)量化電平的參考電平比較，然后根據(jù)比較器的輸出，同時(shí)形成與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)的每一位碼。并聯(lián)型模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)備龐大，但由于它是一次形成，故具有高速的優(yōu)點(diǎn)，由于比較器的響應(yīng)速度有差異，一般都要在比較器之后加緩沖存儲(chǔ)器。它的精度主要取決于電阻網(wǎng)絡(luò)，因此對(duì)電阻網(wǎng)絡(luò)的精度要求很高，同時(shí)阻值要小一些，以減小比較器輸入電阻變化的影響。

1.3 串并型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

串并型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理是經(jīng)取樣的模擬信號(hào)電平，首先由4比特并聯(lián)模數(shù)轉(zhuǎn)換器變成并聯(lián)的4比特?cái)?shù)碼信號(hào)，形成8比特中的高位4比特碼輸出，而后，將上位4比特通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器恢復(fù)成與之相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，進(jìn)而送入相減器，由原取樣的模擬信號(hào)以取得高位4比特碼變化過(guò)程中的量化誤差。最后將此量化誤差由4比特并取模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化形成低位4比特碼輸出。串并型模數(shù)轉(zhuǎn)換器既保持了并聯(lián)模數(shù)轉(zhuǎn)換器動(dòng)作快的優(yōu)點(diǎn)，又不象單純并聯(lián)時(shí)需要很多的比較器，因此設(shè)備大為簡(jiǎn)化，目前這種形式是模擬信號(hào)數(shù)字化的主要形式之一。它的缺點(diǎn)是對(duì)穩(wěn)定度要求高，當(dāng)兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能不穩(wěn)定或有差異時(shí)，會(huì)在高比特和低比特之間產(chǎn)生較大的誤差。

1.4 逐位逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

逐位逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器常用于電視信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備中，它由存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、逐位邏輯電路和一個(gè)電平比較器組成。它的基本工作原理是利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將上一位的數(shù)字信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后反饋到比較器的輸入端，由輸入原模擬信號(hào)的取樣與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)它們的差值來(lái)決定下位碼。這樣由最高位到最低位按順序重復(fù)操作，一位一位形成數(shù)碼，直到最后一位數(shù)碼。逐位逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的精度只決定于數(shù)模轉(zhuǎn)換部分。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度很容易做得高，所以它的精度比較高，而且穩(wěn)定性也好。但是為了在一個(gè)取樣周期內(nèi)完成全部動(dòng)作，就要求電路的動(dòng)作速度快，或者設(shè)法降低取樣頻率。

2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)方式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，例如串聯(lián)型、并聯(lián)型、逐步逼近型等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。

在全并行基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的分級(jí)型和流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號(hào)處理、快速波形存儲(chǔ)與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號(hào)量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域。在國(guó)外，新型模數(shù)轉(zhuǎn)換的就用越來(lái)越廣泛，在航天領(lǐng)域及軍事領(lǐng)域，由于實(shí)時(shí)、高速轉(zhuǎn)換，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器提出了更高的要求。大型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為這種要求提供了物理意義上的保證。

新型材料的研究日新月異，超大規(guī)模集成電路的使用，使計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度飛速提高，大型CPU的使用也在不斷被新的記錄刷新。微電子技術(shù)也快速發(fā)展，有了這些技術(shù)作為基礎(chǔ)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器也有了進(jìn)一步發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。在不久的將來(lái)，摸數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能將大大加強(qiáng)，以導(dǎo)彈的制導(dǎo)為例，如果模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度大大提高的話，精確制導(dǎo)的準(zhǔn)確性能將大大提高。產(chǎn)生的在時(shí)間上和位置上的誤差也將趨近于零。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速崛起，并正在以一日千里的發(fā)展勢(shì)力，快速發(fā)展。整個(gè)地球?qū)⒃谡浦校纹鹞锫?lián)網(wǎng)發(fā)展的主要技術(shù)之一就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器，我們可以說(shuō)，模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展速度與方向?qū)⒆笥椅锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，并為其提供快速發(fā)展的引擎。模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的未來(lái)幾年的發(fā)展方向就是與新材料技術(shù)、超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化、在穩(wěn)定性和可靠性方面也要有極大的進(jìn)步、在體積上要實(shí)現(xiàn)微型化、集成化。我們可以預(yù)測(cè)，隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的迅猛發(fā)展，我們的周?chē)鷮l(fā)生翻天復(fù)地的變化。

3 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際電路的選拔中，如何選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器要考慮很多方面，不僅要結(jié)合每種轉(zhuǎn)換器的適用范圍，還要考慮各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在過(guò)程控制及信息處理中遇到的變量，如聲音、圖像亮點(diǎn)的亮度、雷達(dá)的回波等，這些模擬量的特點(diǎn)各有不同，所要求的精度也不一樣，在選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)也各有不同的側(cè)重點(diǎn)。準(zhǔn)確、完速地將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)也要注意方案設(shè)計(jì)時(shí)的成本和性價(jià)比。必要時(shí)可以用數(shù)學(xué)中的統(tǒng)籌法來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。

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