基于Matlab_Simulink_Sta_省略_low_的模_数混合信号系统的

B cat
= V os + V os1 - Ileak R + V ref - V os1 + Ileak R
V os1 - V os2
·RC
(3)
V ref - V os1 + Ileak R T 1
此结果便是转换器的校正值 ,在之后的实际测
量中只要去掉此值便可得到比较准确的转换结果 ,
B=
V in
基于 Matlab/ Simul ink( Stateflo w) 的模/ 数混合 信号系统的精准行为模拟
赵明越1 ,朱 伟2 ,赵春和3
11 山东交通学院电子信息工程系 ,济南 250357 ; 21 济南大学信息科学与工程学院 ,济南 250022 ; 31 深圳华建半导体公司 ,深圳 518000
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
902
电 子 器 件
第 32 卷
功能的模/ 数混合信号系统 。基于 Verilog2A 等高 层次模拟电路硬件描述语言的仿真[223] 虽可用于模/ 数混合信号系统的验证 ,但一方面对很多对模拟电 路至关重要的非理想性 ,特别是白色噪音及噪音等 , 在 Verilog2A 中很难实现 ;另一方面 ,可以使用 Ver2 ilog2A 进行混合信号仿真的软件包 ,例如 Cadence 的 Virt uo so AMS Designer 或 Mentor Grap hics 的 AdvanceMS 等 ,都只有有限的后期数据处理的能 力 ,非常不利于设计者对模拟结果的分析研究 ; 再 者 ,因没有图形界面 ,Verilog2A 对使用者来说不够 直观也不容易理解 。以上几个方面决定了 Verilog2 A 等高层次模拟电路硬件描述语言更适合芯片设 计后期的系统功能性验证 。
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摘 要 :详细且完整地介绍了在 Matlab/ Simulink (Stateflow) 环境中对模/ 数混合信号系统的精准行为模拟及仿真 。利用双
斜率模/ 数转换器 (Dual2slope ADC) 作为模拟对象 ,在分析了转换器的结构 、工作原理 、系统中重要的非理想性 (例如运放及比
较器的输入参考噪音及电压偏移等) 以及它们对系统的工作性能的影响的基础上 ,设计实现了系统的 Matlab/ Simulink ( State2
图 1 双斜率模/ 数转换器的原理及分析
积分器在第一阶段的充电量与在第二阶段的放 电量是相等的 。利用这一关系 ,在不考虑转换器中 任何非理想因素存在的情况下 ,我们得出如下关系 :
B ideal
= V in V ref
(1)
即计数器的输出结果正是输入电压 Vin 经转换器转
换后的数字结果 。
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第 5 期 赵明越 ,朱伟等 :基于 Matlab/ Simulink ( Stateflow) 的模/ 数混合信号系统的精准行为模拟 903
简单来讲 ,如同图 1 中的下图所示 ,双斜率模/ 数转换器是通过两个阶段来实现模/ 数转换的 。第 一阶段为测量 (Measurement) 阶段即 T1 时间段 , 开 关 S2 由连接 ( 此时转换器处于回零状态) 到断开 , V in 通 过 开 关 S1 连 到 积 分 器 的 输 入 并 开 始 持 续 2n T clock (其中 Tclock 是转换器工作时钟周期) 的积分 。 第二阶段为求值 ( Evaluatio n) 阶段即 T2 时间段 ,开 关 S1 断开 V in 并连到 V ref ,同时计数器 ( Co unter) 开
·RC
(2)
V ref - V os1 + Ileak R T 1
由此可见转换器中的非理想因素会影响到它的
最终性能 。为了去除或减小这些非理想因素的影
响 ,在对 V in 进行转换之前 ,可以先对转换器进行一 次较正 (Calibratio n) ,具体做法是 :将转换器的输入
(即上面的 V in ) 连接到虚拟地极 ,并通过上面讲到的 两个阶段测出此时转换器所对应的数字输出 ,
Z H A O M i n g y ue1 , Z H U W ei2 , Z H A O Chunhe3
11 De part ment. of I n f ormation En gi neeri ng , S han don g J i aoton g Uni versit y . , J i nan 250357 , Chi na; 21 College of I n f ormation S cience an d En gi neeri ng , J i nan Uni versit y , J i nan 250022 , Chi na; 31 S henz hen H uaj i an S emicon d uctor Com p any , S henz hen 518000 , Chi na
图 1 展示了双斜率模/ 数转换器的原理图 ,其中 的 Ileak 、V os 、V os1 及 V os2 的具体含义我们将在下文中 介绍到 ,而其中的 V in 是需要被转换的模拟信号 , V ref 是参考电压 , S1 、S2 是控制信号 ,Clock 是工作时钟 , IN TAM P 是放大器 , Co mp 是比较器 , b1 . . . . . . bn 是最终转换成的 n 比特的数字信号 。
在实际电路中 ,系统的性能会受到许多非理想
因素的影响 。如图 1 中所示 ,对于双斜率模/ 数转换
器 ,影响系统性能的非理想参数主要有 : V os : V in 缓 冲电路的偏移电压 ; V os2 : 放大器 IN TAM P 的输入 参考偏移电压 (其中也包括 IN TAM P 的输入参考
噪音 :白色噪音及 1/ f 噪音) ;V os2 比较器 Co mp 的输 入参考偏移电压 (其中也包括 Co mp 的输入参考噪
始计数 。由于 Tclock V ref 与 V in 相对于虚拟地极是极 性相反的 ,所以在这一阶段 V ref 对的积分使得 IN2 TAM P 的输出 V int 向与第一阶段相反的方向移动 。 当 V int 穿过虚拟地极的电压值时 ,触发比较器的输出 极性发生变化 (由‘0’到‘1’或相反) 并由此使得计数 器停止计数并输出最终结果 (假设为 B = b1 2 - 1 + B2 2 - 2 + . . . + Bn2 - n) 。此后转换器又循环回到第一阶段 。
(4)
V ref - V os1 + Ileak R
Abstract :This paper discussed a met hodolo gy of co mp rehensive mixed signal behavior modeling using Mat2 lab/ Simulink ( Stateflow) . Upo n analyzing t he t heory , st ruct ure , and t he impo rtant no n2idealities (e. g. , t he inp ut2referred 1/ f noise and off set , etc. , of an operatio nal amplifier or a co mparato r) and t heir effect s o n t he overall performance of t he system. A p recise behavior model of a dual2slope ADC using Matlab/ Simulink ( Stateflow) was designed and t he model was verified t hro ugh simulatio n. Key words :Matlab/ Simulink , mixed signal system , behavior model , modeling , simulatio n EEACC :7220
flow) 行为模型并对其进行了仿真验证 。
关键词 : Matlab/ Simulink ;混合信号系统 ;行为模拟 ;模型 ;仿真
中图分类号 :TN9111 7
文献标识码 :A 文章编号 :100529490( 2009) 0520901208
随着当今集成电路规模的不断扩大 ,为了减少 外围元器件数量 、节省芯片面积 、降低系统的功耗以 及增加产品的竞争力 ,芯片设计公司越来越倾向于 将包括数字与模拟功能的整个系统集成到同一个芯 片上 (即 SOC) [1] 。这样做的另一个好处是原本需 在模拟模块里实现的一些功能 ,如信号滤波整形以 及电路的校准等现都可以在数字模块里或借助数字 模块的信号处理器来实现 ,从而进一步减小了芯片 的面积及提高成品率 。另一方面 ,除了会增加系统
本文利用了 Matlab 强大的数学计算及数据处 理功能 ,基于 Simulink 的交互式图形环境 ,并借助 于 Stateflow 的有限状态机 (finite state machine) 仿 真功能 ,以双斜率模/ 数转换器作为模拟对象进行了 模/ 数混合信号系统的完整的行为模拟 。由于模型 中也包括了电路中重要的非理想性参数 ,本文中提 出的方法不但能对被模拟系统进行功能性验证 ,而 且也能准确地预测及检验各种电路参数对系统最终 性能的影响 。
的各个模块 ,特别是由数字到模拟之间通过衬底的 噪音干扰等不利因素外 ,这样做的一个不利后果是 为系统的前期 (电路动手设计之前) 及后期 (电路设 计完成之后) 功能及性能的验证带来了很多麻烦 。 现今模拟电路设计前期验证工作比较流行的做法仍 然是基于设计者自身经验或借助于一些数学工具包 如 Matlab , Mat hmatica 或 Mat hcad 等 来 完 成 的 。 此种方法很难将诸如电路的动态响应及很多非理想 性因素考虑进去 ,并且无法应对包括越来越多数字
1 双斜率模/ 数转换器简介及分析
双斜率模/ 数转换器是积分转换器 ( Integrating ADC) [4] 的一种 。与其它模/ 数转换器如过采样转 换器[5] 相比 ,它的特点是原理及结构简单 ,并且不需 要数字过滤器等复杂的数字信号处理功能 。由于它 的运作是在模拟积分及数字状态机控制下完成的 , 所以特别适用于本文对模/ 数混合信号系统行为模 拟的示范 。
收稿日期 :2009207214 修改日期 :2009208221 作者简介 :赵明越 (19862) ,男 ,山东济南人 ,09 年毕业于山东交通学院信息工程系 ,电子信息专业 ,zmy19861123 @gmail. com ;
朱 伟 (19862) ,女 ,河北唐山人 ,09 年毕业于山东交通学院信息工程系电子信息专业 ,现在济南大学攻读研究生 。
第 32 卷 第 5 期 2009 年 10 月
电子器件
Chinese J ournal Of Elect ron Devices
Vol . 32 No. 5 Oct . 2009
Comprehensive Mixed Signal Behavior Model ing Using Matlab/ Simul ink( Stateflo w)
音 :白色噪音及 1/ f 噪音) ; Ileak :连接外围积分电容 的 I/ O PAD 的漏电电流 。在包括这些参数后 ,再重
复以上的推导 ,我们会得到 :
B = V in + V os + V os1 - Ileak R + V ref - V os1 + Ileak R
V os1 - V os2