逐次逼近型模数转换器的仿真模型

逐次逼近型模数转换器的仿真模型 王凤，黄泽琴，申忠如 (西安交通大学电气工程学院 陕西西安710049) 摘 要：首先分析了构建ADC模型的2个关键环节：如何用数字量函数替代实际的模拟量输入，以及如何构建仿真模 型内核。利用线性插值算法实现了环节一，并以逐次逼近型AD(：为例，构建了模型的仿真内核。为了更加清晰地表述这种 ADC模型的作用，以“有采样保持器”和“无采样保持器”为例，通过实际的ADC模型算例分析了无采样保持器对ADC转换 结果的影响，客观表现出这种模型的开放性和广泛适用性。 关键词：模／数转换；ADC模型；逐次逼近型模／数转换器；数字量函数 中图分类号：TP335 文献标识码：B 文章编号：1004—373X(2007)14—043—03 SimulationModelofSARADConverter WANGFeng，HUANGZeqin，SHENZhongru (SchoolofElectricalEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi7an，710049，China) Abstract：ThispaperanalyzestwoimportantissuesinCOnstructingsimulationmodelofADconverter：oneistOfindaway ofusingdigitalinputsignalinsteadofanalogsignalonPCsimulationplatform，andtheotherishowtoconstructthemodel kernel．Thefirstissueisimplementedbylinearinterpolationarithmetic，andthenthemodeIkernelissetupbytheexampleof SARADconverter．tnordertoshowmoreabouttheoperationofthismodel，thesimulationsofADconverterwithsampling— holderandwithoutsampling—holderareimportedastheexample．Bysimulatingthesetwomodels，theeffectof110sampling— holderonADconverterispresented，whichshowstheopera‘ngandabroadadaptiveofthemodel． Keywords：analogdigitalCOnverter；modelofADC；SARADconverterdigitalfunction 模／数转换器(AnalogDigitalConverter，ADC)是数据 采集的核心器件，在几十年的发展过程中，诞生了积分型、 逐次逼近型、并行比较型，以及∑一△型和流水线型等多种 模数转换器件n]。ADC模型是一个基于Matlab的功能函 数，输入是原始模拟信号的数字量集合，但是这个数字量 集合必须能够与原始模拟量足够的吻合，以替代原始模拟 量的输入。ADC模型的内核是一系列程序语言，完成对 不同种类的ADC的模拟，其输出是指定的ADC结果，以 二进制数字量表示。 因此，构建ADC模型的难点集中在2处：将离散的数 字量集合转换成连续的数字量函数，以完成对现实中的模 拟量的等效替代；用程序语言(本文用Matlab实现)完成 不同种类ADC的转换过程模拟。本文以逐次逼近型 ADC为例，阐述ADC模型的构建和使用。 1 用连续数字量函数替代连续模拟信号 ADC是将外界输入的模拟量转换成时间上离散、数 值上量化的数字量。其核心步骤是抽样和量化，输入的必 须是模拟信号，也就是时间上连续、在大小上可以无限细 分的信号。但是，用纯粹的软件语言实现ADC模型，就面 临着如何给模型加载合适的输入信号。首先，这个输入信 收稿日期：2007一02—23 号必须是数字的，只有这样才能与模型衔接。其次，这个 信号必须在时间上和幅值上具有相对连续的特点。除可 以用数学函数表达的标准信号外，一般的随机数字输入信 号不具备这样的特点。因此，大量研究都采用给ADC模 型输入标准正弦波的形式进行仿真∞。：。文献[4]中提到 给仿真器输入一个带有噪声的正弦数字信号，并且在工作 中使用到提高采样率256倍，很显然需要对原始输人的数 字信号进行处理，但是文章没有给出详细的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 对随机的模拟量输入信号“一，(￡)(如图1中的原始 模拟信号——细实线表示)进行数字化，获得的是图l所 示的“原离散数字量”(圆圈表示)。可以看出。这些数字量 在时问上是离散的，间距为&，在数值上是被量化的，电 压间距为Au。P。，Po，⋯，P0⋯是这些数字量。这些数字 量的集合既不满足时间上的连续，也不满足幅值上的连 续。有多种方案可以将离散的数字量集合转换成连续的 数字量函数。线性插值方案∞1是其中最为简单的，本文采 用了这种方案。根据输入的“原离散数字量”集合，模型自 动将所有相邻点之间用两点式构建线性函数^。此时，任 意输入可以无限缨分的t。，模型将依据线性函数计算出“ 一．^(t。)，从而，在图1上，用户可以获得一个可以连续移 动的P。点，只要计算机允许，用户可以输入任意精度的时 问值，也可以获得任意精度的输出电压值，就实现了用连 续数字量函数对连续模拟信号的替代。 43 万方数据 2 ADC模型的构建 2．1 ADC模型的结构框架 ADC模型的结构框架如图2所示。用户可以利用任 何可行的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 获得被测信号的原离散数字量，常见的方法 是任取一段音频的way文件。当用户输入任意的时间数 值TimeI(i)，根据原离散数字量和分段函数，可以自动获 得连续数字量函数的输出DataI(i)，作为模型内核的输 入。经过初始化的模型内核将对DataI(i)进行转换—— 依据不同ADC的转换方法——最终输出二进制或者 16进制的数字量输出。 图1 用分段函数实现模拟量等效替代的原理示意 图2 ADC模型结构框架 逐次逼近型ADC模型的初始化主要有ADC输出位 数的确定，基准电压的选择，晶振频率选择等。 为方便使用，所有的DataI(，2)在分段函数内都被归一 化为小于等于5(按照常见的输入电压小于5V设定)。 2．2 逐次逼近型ADC模型内核 实际上，逐次逼近型ADC的转换结果是可以通过简 单的运算获得的(见本文3．1提供的M函数)。但是，在 分析输入电压变化对转换结果的影响时，最好能够根据逐 次逼近型ADC的转换过程，构建更加细致的仿真模型内 核。逐次逼近型ADC模型内核的 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如图3所示。这 是一个开放的内核，用户可以根据自己的理解，任意修改 其中每次变换中输入电压的值以及其他的可变的指标。 通过对逐次逼近型ADC的转换过程理解口一，设计出 程序过程如下：整个转换过程被细分成咒次，行是转换结果 的位数，J为转换过程中的循环次数变量。第J次循环中， 取参考电压的1／Z’(图中的U，／27)加入到临时变量Temp 中(Temp—Temp+U，／2j)，与输入电压DataI进行比较， 当Temp>DataI，说明本次增量试探超限，临时变量要将 44 本次的增量U，／2’减掉，否则保留本次增量，且设定本次输 出为1(DataO(n一歹)一1)。如此循环竹次后，输出结果被填 满，完成整个ADC过程。 图3逐次逼近型ADC模型内核的流程图 显然，这个ADC模型的内核是开放的。用户可以在 自己使用的过程中，在不同的位置增加不同的语句，以使 其适应不同的要求。比如，用户在实验“A／D转换过程中 保持电容泄漏对ADC结果的影响”时，可以在每次循环的 结束处，增加对输入电压的调整语句，以表现电容泄漏引 起的采样一保持器输出电压不稳定。 3仿真实验 3．1 常规仿真实验 在保证基准电压不变，且输入电压在转换周期内不发 生改变的情况下，给定不同的输入电压，对比理论计算的 ADC数字量输出和实际SARADC模型的数字量输出，检 验其转换结果的正确性。按照ADC原理，对一个输入电 压input，当基准电压为vlt时，其输出10进制表示应为如 下Matlab函数表示： functionoutput=f_adc(vlt，numb，input) delta：vlt／(2‘numb)； m—floor(input／delta)； output—m 将不同的输入电压分别给上述M函数以及本文 2．2节提供的逐次逼近型ADC内核，如果输出结果相同， 则表明本文提供的逐次逼近型ADC内核是正确的。实验 表明，两者的输出结果完全一致(在比较前，要对M函数 的输出进行10一2进制转换)。 3．2输入量渐变仿真实验 逐次逼近型ADC在转换过程中，一旦模拟输入量发 生改变，可能造成输出数据的异常——既不是初始值，也 不是最终值或者平均值，而与转换过程有关。这个模型就 万方数据 可以模拟这种情况。为验证这种情况，使用这个ADC模 型设计了一个实验：初始输入量为Ul(o)，每个循环周期 内输入量变化△“，在转换结束时，输入电压变为U；(7)，如 果ADC具有标准的采样保持器，则输出数字量为ADC outl，对应的模拟量为ADCAnal091，如果ADC不具有采 样保持器，则输出数字量为ADCout2，对应的模拟量为 ADCAnal092。初步的实验结果如表1所示。 表1输入量渐变情况下。有无采样保持器对逐次逼近型 ADC转换结果的影响实验 U：(O)AuU。(7) AIX； ADC ADC ADC {N|、|Noutl Analogl／Vout2 Anal092／V 1 —0．020．8600 1 l 00 1 1 0．9961 00 1 l 0000 0．9375 1 —0．050．65001l00 1 1 0．9961 O0 l0 1 000 0．7813 1 0．02 1．1400 l 1 00 1 l 0．9961 00 1 10 1 1 1 1．0742 1 0．05 1．3500l 1 00 l l 0．9961 0O 1 1 1 1 1 1 1．2375 2 —0．021．860 l l 00 1 l 0 1．9922 0 1 l00000 1．8750 2 一O．051．650 l l 00 1 l 0 1．9922 0 1l00000 1．8750 2 0．02 2．140 1 1 O0 1 10 1．992Z 0 1 1 O 1 0 1 l 2．0898 2 0．05 2．350 1 1 00 1 1 0 1．9922 0】101 l】1 2．1680 实验表明，当输入电压在转换过程中发生改变时，逐 次逼近型ADC的转换结果既不对应于初始输入量，也不 对应于最终输入量，当采样保持器发生电容泄漏时，输入 电压通常是逐步减小，此时，输出结果将是介于初始输入 量和最终输入量之间的一个对应值。实际上这也表明，在 相当多的情况下，缺少采样保持器时使用逐次逼近型 ADC，并不会得到意想不到的奇异结果——输出结果还是 介于初始量和最终量之间的。本实验仅是一个例证，说明 本文提供的逐次逼近型ADC的源码开放性。用户可以利 用本模型研究输入电压的奇异改变，以及基准电压的各种 改变对输出结果的影响。 4结 语 本文通过线性插值算法，用连续数字量函数代替连续 模拟量输入，解决了在计算机中实现ADC模型的模拟量输 入问题，根据逐次逼近型ABC转换原理，编制了细致的逐 次逼近型ADC模型。通过实验验证了模型内核的正确性， 通过模拟量输入渐变实验，一方面得出，没有采样保持器的 逐次逼近型"ADO，当输入电压发生变化时，其输出结果仍 在初始量和最终量之间，有很大的可信度。另一方面，这个 实验也客观地表明，本文提供的ADC内核，具有较强的开 放性，可供用户进行更加细致深入的其他实验研究。 参考文献 [1]戴维德．ADC及DAC的发展概况EYl．今日电子，2004(1I)： 43—45． E2]于光平，张昕．过采样方法与提高ADC分辨率的研究[J]． 沈阳工业大学学报，2006，28(2)：137—139． [3]解本钊，林茂六，权太范．提高并行交替式ADC分辨率的一 种方法[J]．哈尔滨工业大学学报，2003，35(8)：935—938． [4]张守钧，庞彦斌．用过采样和求均值技术提高模／数转换器 ’的分辨率l-J-I．计算机测量与控制，2003，II(6)：470—472． 1-5]张守钧，庞彦斌．用过采样和求均值技术提高模／数转换器 的分辨率[J]．计算机测量与控制，2003，II(6)：470—472． 作者简介 王 凤 女，1971年出生，1994年获陕西理工学院物理学士学位，现在西安交通大学电气学院攻读电子测试计量技 术及仪器硕士学位。主要研究方向为测试计量技术。 黄泽琴 女，1984年出生，西安交通大学电气工程学院2006届本科毕业生。 申忠如 男，1946年出生，西安交通大学电气工程学院教授。主要研究方向测试计量技术。 ·——卜一—’一-—卜--4---+-—卜”—-卜 (上接第42页) 要问题是算法的执行速度慢。采用上述提出的改进方法， 并通过充分利用各种相关性，可使处理的数据大大减少， 大大加速了光线投射算法的计算速度，从而提高了体绘制 在微机上的显示速度并且实现在windows环境中高质量 的体绘制，达到快速有效完成三维图像显示的目的。在体 绘制中还使用了交互式的透明、半透明控制技术，不仅可 以看到物体的表面几何形状信息，而且还可以把握到物体 的内部结构和细节，此外还可根据数据点的灰度值进行伪 彩色的赋值和控制。这些方法都在后续的外科手术支援 系统中得到了很好的应用。 -+--4--+-+-·+一+“+“+-+-"4-一+*+一+··+-+-+一+ 参考文献 [1]罗兰．离散断层图像序列的三维体视技术研究[D]．重庆：重 庆大学，1996． [2]黎弘，蔡元龙，姜航毅．基于微机的医学图像三维重建[J]． 中国生物医学工程学报，1995，14(3)：226—234． [3-1TerrySYoo．DirectVisualizationofVolumeData[J]．IEEE ComputerGraphics＆Application，1992，12(4)：63—71． [4-1MaxN．OpticalModelsforDirectVolumeRendering[J]． IEEETransactionsonVisualizationandComputerGraph— ics，1995，1(2)：99—108． 作者简介 陈良琴女，1980年出生，助教。主要研究方向为图像处理、图像压缩。 陈新 男。1955年出生，教授，硕士生导师。主要研究方向为数字图像处理、计算机网络技术、数据通信、模式识别。 钟少君女，t975年出生，硕士研究生。主要研究方向为三维图像重建技术。 45 万方数据 逐次逼近型模数转换器的仿真模型 作者： 王凤， 黄泽琴， 申忠如， WANG Feng， HUANG Zeqin， SHEN Zhongru 作者单位： 西安交通大学,电气工程学院,陕西,西安,710049 刊名： 现代电子技术 英文刊名： MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE 年，卷(期)： 2007，30(14) 被引用次数： 0次 参考文献(5条) 1.戴维德 ADC及DAC的发展概况[期刊 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ]-今日电子 2004(11) 2.于光平.张昕 过采样方法与提高ADC分辨率的研究[期刊论文]-沈阳工业大学学报 2006(02) 3.解本钊.林茂六.权太范 提高并行交替式ADC分辨率的一种方法[期刊论文]-哈尔滨工业大学学报 2003(08) 4.张守钧.庞彦斌 用过采样和求均值技术提高模/数转换器的分辨率[期刊论文]-计算机测量与控制 2003(06) 5.张守钧.庞彦斌 用过采样和求均值技术提高模/数转换器的分辨率[期刊论文]-计算机测量与控制 2003(06) 相似文献(2条) 1.期刊论文 郑晓燕.王洪利.仇玉林.ZHENG Xiao-yan.WANG Hong-li.QIU Yu-lin 流水线ADC的系统级仿真 -电子器 件2006,29(4) 应用模拟电路自顶向下的设计思想,用MATLAB建立了一个流水线型模数转换器的行为模型,从而可以有效确定系统结构及相关模块参数.为了对实际电 路有较好的指导作用,充分考虑了电路的非理想特性和噪声.最后通过设定一个分辨率为10 bit,采样频率为80 MHz,1.5 bit/级的经典流水线型数模转换 器模型的非理想参数值和噪声参数,对ADC模型的主要性能参数进行了仿真计算. 2.学位论文 李福乐 适宜于系统集成的高速高精度模数转换电路设计技术研究 2003 片上系统(SOC)需要在单个硅片上实现数模混合集成。与数字系统工艺兼容、功耗面积等指标优化的高性能模数转换器(ADC)是SOC中非常重要的单元 。因此，基于标准CMOS工艺，通过结构研究来提高速度和分辨率、优化功耗面积等指标，是ADC的重要研究方向之一。 论文对电荷转移流水线ADC的高速高精度设计和功耗面积优化做了较为深入的研究，主要的成果有：1.研究了流水线级电路的建立过程特性，在此基 础上提出了一种优化建立起点和不完全建立相结合来提高速度的方法。该方法试图打破常规的设计思路，从一个新的角度探讨了高速流水线ADC的设计 ，电路分析和仿真以一个12-bit流水线ADC为例，验证了该方法对速度的提高可达一倍；2.提出了一种电容失配校准方法，通过电荷相加、电容交换和电 荷反转移的电路技术，将电容失配误差减小至其2次项。所构造的ADC模型仿真演示了一个由4-bit电容匹配精度实现12-bit积分非线性(INL)的例子，验 证了电容失配校准的有效性。与现有校准方法相比，新方法具有设计简单、面积和功耗小的优点。3.提出了一种改进的电容误差平均技术，以优化电容 误差平均技术的性能指数(分辨率×速度与功耗×面积之比)。该技术改进了采样电路结构，加快了建立速度，并在此基础上引入输入SHA消去技术和单元 共享技术，减少了功耗和面积。电路分析表明，速度优化的典型值为14％(OTA为开关电容共模反馈)和23％(OTA为非开关电容共模反馈)，而功耗均可优 化一半左右。 论文的另一部分工作是高速高精度ADC的电路设计和测试。基于电容失配校准方法和改进的电容误差平均技术，分别设计了13-bit，3MS/s的流水线 ADC和13-bit，5MS/s的流水线ADC。两种设计均采用上华0.8μmDPDMCMOS工艺，其中第一种芯片的测试结果表明，ADC得到了0.5LSB的DNL和2.5LSB的 INL，当采样率和输入正弦信号频率为(614KHz，19.2kHz)时64.1dB的SINDR和71.2dB的SFDR，以及当采样率和输入频率为(2MHz，125kHz)时62.08dB的 SINDR和70.6dB的SFDR；第二种芯片的晶体管级仿真表明，在9-bit的电容匹配、σ(VT)=15/√W·LmV和σ(W)/W=0.02/√W·L的晶体管匹配条件下，当采 样率和输入频率为(5MHz，40kHz)时，ADC可得到74dB的SINDR。 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xddzjs200714017.aspx 授权使用：国电南京自动化股份有限公司(wfgdnz)，授权号：9df4a726-51dd-4d36-a234-9e3000d66c36 下载时间：2010年11月16日