AD基本原理仿真

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⑹高静姚素英徐江涛史再峰•高速并行10位模数转换电路的设计文章编号
0493-2137 （2010）06-0498-06
4.进度安排
AD基本原理仿真
摘要：目前，科学技术进步突飞猛进，数字系统技术被广泛应用于生活的方方面面，数字系统相对于模拟系统，显示出了其巨大的优势。

然而，由于数字系统并不能够用于模拟信号的应用处理，仅能够用于数字信号的处理，但是，人们日常生活生产当中，很多物理量都是取值连续的模拟量，如压力，温度，流量，速度，距离等等。

我们可以通过传感器将这些取值连续的物理量变成幅值或者频率连续的电压量或者电流量。

然后在经过一个模数转换电路，将模拟量转换成易于处理的数字量。

编码、量化、保持以及抽样是吧模拟信号转换成数字信号的四大步骤。

抽样通常都在特定的抽样-保持来完成，量化编码则在模数转换器（ADC中完成。

根据不同的原理，ADC也有不同的分类。

压频变换型、并行比较型以及电容阵列逐次比较型都是比较常见的类型，而逐次渐进型（逐次比较型）、双积分型也是较为常见的一种。

文章对三种常见AD转换器的原理，比如双积分型、并行比较型以及逐次渐进型进行了重点研究。

根据其原理设计三种不同的AD转换器。

并且利用Multisim 对三种不同的结构进行仿真。

对这三种结构进行性能的分析。

关键词：模数转换；软件仿真；性能分析
Simulations of Basic AD Principles
ABSTRACT: With the developme nt of scie nee and tech no logy, digital systems have beg un to be widely used in the product ion and life of moder n society. Digital systems
have show n great adva ntages over an alog systems. However, digital systems can only process digital sig nals and cannot process an alog sig nals. In producti on and life, many physical qua ntities are con ti nu ous an alog values such as pressure, temperature, flow rate, speed, dista nee and so on. We can use these sen sors to convert these con ti nu ous physical qua ntities into amplitudes or continu ous voltages or curre nts. Then through an an alog-to-digital conv ersi on circuit, the an alog qua ntity is con verted in to a digital qua ntity which can be easily processed. Four steps required to convert an alog to digital are sample, hold, quantize, and encode. Sampling is done in a dedicated
sample-anckhold circuit, and quantization coding is done in an analog-to-digital conv erter (ADC).
Accord ing to differe nt prin ciples, ADCs have differe nt classificati on s .Dual-slope ADC, Parallel ADC, - △艺ADC, Voltage frequency ADC, successive approximation ADC are com mon impleme ntatio n. This article explores the prin ciples ofDual-slope
ADC parallel comparis on and successive approximati on ADC. Accordi ng to its principle, three different AD converters are designed. And use Multisim to simulate three differe nt circuits. And an alysis performa nee of these three circuits.
KEY WORDS: AD conversion, simulation, Hardware implementation, Performa nee an alysis
、八—
刖言...............................
第1章绪论..........................
第1.1节AD转换概况 (7)
1.1.1 ADC的历史及现状 (7)
1.1.2 ADC发展方向 (9)
第1.2节ADC的基本形式 (10)
1.2.1积分型转换技术 (10)
1.2.2逐次逼近型转换技术 (10)
1.2.3并行转换技术 (11)
1.2.4流水线转换技术 (11)
1.2.5过采样转换技术 (12)
第1.3 节ADC 的主要性能指标. (12)
1.3.1 转换时间 (12)
1.3.2 分辨率 (12)
第1.4 节Multisim 的简介. (13)
1.4.1 Multisim 概述. (13)
1.4.2 Multisim 的发展历程. (13)
1.4.3 Multisim 的特点. (13)
第2章并行比较型AD转换电路 (14)
第2.1节并行比较型AD转换电路简介 (14)
2.1.1 电路结构 (14)
2.1.2 电路原理 (15)
第2.2节并行比较型AD转换电路仿真 (16)
2.2.1 仿真电路图 (16)
2.2.2 所用元器件 (16)
2.2.3 仿真结果 (20)
第3章逐次渐进型AD转换电路 (23)
3.1.1 电路结构 (23)
3.1.2 电路原理 (23)
3.2.1 仿真电路图 (24)
3.2.2 使用元器件 (24)
3.2.3 仿真结果 (28)
第4章双积分型AD转换电路 (30)
4.1.1 电路结构 (30)
4.1.2 电路原理 (30)
4.2.1 仿真电路图 (31)
4.2.2 所用元器件 (31)
参考文献 (34)
致谢 (36)
、八
前言
近几年以来，由于电子数字终端设备的大量普及，使得模拟信号转变数字信号的技术非常普遍，特别是电子计算机的应用。

比如日常中，我们在用手机发微信语音的时候，人发出的语音是一种模拟信号，通过手机的传感器，可以把手机的语音信号转化为一种可以模拟的电信号，最终通过模数的转变，使之成为数字的电信号，这样才能使语音发送出去。

不只是在通信系统中，当下几乎所有的电子高科技产品都要用到模数转换。

自动驾驶汽车要将接收模拟的位置信号转换成数字信号，再通过进一步的分析，才能对自身的情况进行判断，进而做出反馈处理。

智能机器人要对人的声音甚至容貌做分析，也要经过模数转换。

当今社会是数字的社会，绝大部分系统只能丢输入的数字信号就行处理。

但是我们的视觉、听觉、感觉等确实模拟的世界。

正是模数转换器姜数字世界和模拟世界连接起来。

任何一个系统，都需要一个传感器来感知模拟世界中的电压、电流、温度等信号。

模转换器到模拟信号，再到微处理器FPGA言号等等，这些信号之间的转换都能够完成整个过程，使得通信的每一个环节都能够以数字信号和模数信号来进行转换。

对AD转换器的研究有着极其重要的意义。

第1章绪论
第1.1节AD转换概况
1.1.1、ADC的历史及现状
众所周知，数字通信设备的诞生，被誉为方便、快捷、安全以及高效的一种通讯方式。

但是，要实现数字通信这项技术，必须要把声音、视频以及图像等等模拟量转变成数字量才能够实现，因为模拟量是不能够直接被传送的。

在这样的背景下，电子式模数转换技术应运而生，这项新技术的产生，使得第二次世界大战末期以来，人类的数字通信技术得到质的飞跃，能够把模拟量转换成数字量，并把模拟量的声音、图像以及视频还原。

至此完成整个通信过程。

因此，人们开始研究和改善ADC通讯技术的应用十分广泛，从最开始主要应用于军事领域，现已发展到人们日常生活的方方面面。

由此可见，ADC
技术已经越来越得到人们
的重视，无论是多媒体领域、微电子领域，还是在的电子信息技术领域、计算机领域得到，随处都可以看到ADC勺身影。

特别是在电子系统的后端及前端，比如视频显像、声呐雷达、军事医疗器械、无线电接收基站等等，这些领域都必须通过ADC才能得以实现，
而在一些民用的信息系统当中，也可以见到ADC勺应用身影，这表明ADC已经渗透到各个技术领域，这也是模数转换技术越来越成熟的表现。

由于ADC在我国的发展历史比较短，起步相比于其他发达国家也是比较晚，无论是在ADC的前期设计开发，还是对ADC 的研究、制造等等方面，我国对于ADC这项技术还是相对陌生，大多数都是以中低端产品为主，并没有形成较强的竞争力。

换言之，在ADC领域，国内尚处于发展萌芽阶段，而绝大多数ADC产品主要还是被国外发达国家所垄断，特别是在ADC勺高端产品市场，比如单通道、低功耗的ADC 产品，这些产品的设计制造技术仍然掌握在国外发达国家公司手中，别
应用于雷达通讯、无限通信以及视频显像等等领域。

这些产品的生产规格都是被严格控制，譬如功耗必须要控制在660mw-780mw无杂波动态范围（SFDR达到82dB~85dB输出带宽为750MHz对高输入频率的要求也比较严格，必须要采取64引脚HTQFP寸装，否则无法正常工作，这是许多ADC产品的重要参数要求。

通常而言，现在大多数ADC 产品都应用于无线通讯以及宽带通讯，比如ADI公司生产制造的AD9230系列产品，其精度十分高，能够达到12bit，速率为250MSPS 相比于其它同等级的产品，AD9230系列产品能够大大地降低功耗，降低噪音，提高工作效率，封装尺寸降低20%^下，而工作功率能够提高30%左右，这也是其它产品所无法与之比较的优势。

我国从70年代开始研制ADC也有一些专门从事ADC研究的高校、研究所。

但是资金技术都不能与美日、欧洲等发达国家相比。

我们在ADC研究方面的技术发展取得一定的进步，但是能够投入生产，批量给用户提供服务的产品却很少。

这是由于长期以来，国外先进的产品进入我国市场，并在一定程度上占据着我国市场。

我国自行研制的产品能够进入到市场，但是，尽管国内已经研发成功了不同位数的ADC产品，比如8位、10位、12位和16位等等产品，但是却为顾客提供的服务却反而少了，还是主要以中低端产品为主，并没有多大的变革，仍然处于低速度、低分辨率的产品阶段，相比于国外ADC公司所生产的高端产品而言，仍然存在较大的距离。

所以，高精度、高速度的ADC已经成为国内高校、研究所的研究热点。

改革开放以来，我国纷纷设计生产成功了分辨率为11位的单片CMO积分型ADC由于那时的生产工艺、设计水平仍然没有国外公司那么高，但是，仍然占据了国内的重要市场，所采取的双极工艺，被大量应用于模拟数字的领域，也就
是说，CMO工艺已经越来越成熟，但是还是存在诸多不足之处以及工艺上的缺陷。

此外，上世纪七十年代末期，AD转换器尚处于发展阶段，在国内并没有成熟的制造生产工艺，其生产成本也比较高，BiCMOS^艺的出现，大大解决了这
个难题，但是，BiCMOSt艺的制造工艺相当繁复，加工成本也比较昂贵，并不适用于大规模地生产制造，这也是需要解决的一大难题以及需要克服的技术难关。

随着CMO技术的越来越成熟，现今CMO工艺已经成为了ADC技术领域的主力军，不少低功耗、低成本的ADC产品已经被设计出来，特别是到了上世纪九十年代初期，ADC勺便携式产品便应用十分广泛。

但是的ADC功耗在mV级，而现在的ADC功率已经到了卩W级。

ADC勺转换精度和转换速度也都在不断的提高，转换速度达到MSPS分辨率达到24位。

1.1.2 ADC发展方向
从ADC勺发展历史中，我们能看出，ADC勺发展趋势有以下几个特点。

第一，向高性能方面发展。

ADC勺性能主要包括转换精度和转换速率。

通过采用刀-△调制技术，随着激光修正技术的越来越精湛，还有统计匹配技术、自动校正技术的不断飞速发挥在那，现如今的数据转换的分辨率和精度都有非常大的提升，有些ADC勺精度达到16位~24位，分辨率能够达到9位~14位，其转换速度也大大得到了提高，从原来的缓慢速度提升至5MHz~200MH大大加快了ADC 技术产品的普及。

ADI公司所生产的CMOS.18叩产品，能够达到180MHZ的转换速率，其精度能够达到12位，使得180MHZ的转换速率产品越来越得到认可。

第二，随着半导体制造工艺的转型升级加快，不少过去陈旧的转换电路产品都纷纷被先进的制造工艺所取代，换言之，现如今的ADC制造工艺已经趋向单片化方向发展，比如LSI、VLSI 这两项工艺的越来越成熟，大大提高了其体积以及功耗。

第三，低功耗、低电压以及单电源是ADC制造工艺水平的发展趋势，尤其是CMO S BicMOS等等多项先进技术的普及，不少高精度、高分辨率以及高转换速度的产品越来越被重视，而对于那么低功率、低功耗的产品，也会越越被普及，这样能够适应所有ADC 产品的发展需求，特别是采取(1.2V、1.8V)低电压的产品，能够大大地降低了功耗。

第四，基于VLSI技术的不断发展，高分辨率的ADC产品能够集成于同一个
芯片桑，也就是说能够通过集成技术，从而构成一个信号处理的混合处理，从而使得模拟技术越来越精准，大大提高了ADC勺工作效率，并可以同一时间内处理模数、数字信号，增强了芯片功能，减少芯片外围电路，简化了电路，应用更加方便。

总而言之，各种技术和工艺勺相互配合，扬长避短，开发出适用于各种场合的，能满足不同需求的ADQ
将是数模转换技术未来发展的方向。

高速、高精度、低能耗的ADC将是今后数模转换器的发展重点。

第1.2 节ADC 的基本形式
1.2.1 积分型转换技术
积分转换AD转换技术在低速率，高精度测量领域有广泛的应用，特别是数字测量领域。

积分型AD转换技术主要分为单积分型和双积分型。

实现ADC的转换，必须要记住单机分型AD转换技术，没有这项技术就无法将电信号转换，利用这样的工作原理能够使得模拟信号直接地转换成可以传送的数字信号，最终达到AD转换的目的，但是，AD转换也存在很多缺陷。

比如精度不够，传送速度缓慢以及稳定性较差等等，这些都是AD转换的主要不足之处，也影响了电压的稳定，基于此，一般采用双积分型AD转换技术。

双积分型AD 转换器，对模拟信号进行两次积分，削弱了斜坡电压发生器的误差，提高了转换精度。

双积分型ADC的精度比较高，可以达到22位。

基于积分电容的因素，控制高频的噪声只能通过双积分型转换电路来完成。

但是，它的转化速度比较慢。

因此，该型AD转换器一般应用于低速率，高精度AD转换领域。

1.2.2 逐次逼近型转换技术
逐次逼近型转换技术即是一种直接AD 的转换器它的工作转换原理比较复杂，但也没有其他转换技术那么繁复，通常逐次逼近型转换技术的初始都是以发麻为基础，通过对被称的物体来进行比较，假如物体过重，那么则要把砝码拿开，如果物体很轻的话话，那么则要留下砝码，以此类推，才能够求出物体的实际重量，直至留下最后砝码的时候，才是物体的真实重量。

根据这种称物体重量的工作原理，逐次逼近型ADC 技术也是应用这样的工作原理，通过对模拟信号的强弱以及模拟电压的高低，从中进行对比分析，最终逐步逼近型ADC 模拟电压信号，通过这样的数字量转换，达到逐次逼近型ADC 但是，逐次逼近型ADC 越高，那么气分辨率就越高，在ADC模拟电压较地的时候，需要
100MPSP。

转换时间确定。

同时这种ADC 需要数模转换器，因为高精度的数模转换器，必须要高的电阻或电容匹配网络，所以，其精度通常都不高。

1.2.3 并行转换技术
并行转换技术是所有数模转换技术中转换速率最快的一种，并行转换技术是一样重直接的模数转换技术。

大大降低了中间环节的不必要步骤，使得每一个数字代码都能够以最短的时间内达到转化的目的。

因此并行转换技术又称为闪烁型AD转换技术。

其最大的特点就是转换速度快。

可达到50MPS，P 适用于高速转换领域。

其分辨率一般不高，基本在10 位以
下。

当要求精度提高时，其电路的功率随之大幅增加。

一个N位并行比较型ADC 需要2??-1个电压比较器和分压电阻。

一个10位并行比较型ADC其电压比较器和分压电阻就会有1023个。

其实现相当困难。

因此，当精度要求比较高时，并行转换技术的缺点就凸显出来了。

1.2.4 流水线转换技术
流水线转换技术是对并行转换技术的改进和提升。

它继承了并行转换技术的高速率的优点，同时克服了并行比较型转换电路的实现困难的问题。

以8位两级
流水线型ADC 为例，它首先进行第一级高四位的并行比较型转换。

求出高四位的代码。

紧接着，通过模拟信号的加减，还有对高四位代码的模拟量输入，最终得到低思维的代换，从而转化成第二级的转换器当中。

流水线型转换技术可以设计为 2 级、3 级、4 级甚至更多级的转换器。

其特点是，转换精度相较于并行比较型高。

可达到16位，同时拥有较高的转换速率。

16 位的该型ADC 转换速率可达5MPSP。

在分辨率相同的情况下，电路的功率和规模比并行比较型大大降低。

此外，还存在转换差错的问题，当第一级转换后的差值不满足第二级量程时，会产生线性失真或代码丢失的问题。

125过采样转换技术
过采样型AD转换技术又称工-△型AD转换技术。

这是一种近二十年才发展起来的技术。

主要应用于音频领域。

工-△型AD转换器主要由两个部分组成，即模拟部分和数字部分。

模拟部分是一个调制器；数字部分是一个滤波器。

模拟部分的调制器是电路的核心。

它利用积分和反馈电路将大部分量化噪声移到高频，随后经过滤波器，将噪声滤除。

因此该型ADC具有极高的精度，可达到24位以上。

工-△型AD转换器在工作时，得到一位的高速比特流，其中包含大量的高频噪声，再经过一个低频数字滤波器，过采样工-△型模数转换技术的主要优点是：转换精度高，
可以达到24位以上。

其采用过采样，噪声整形和数字滤波等技术，充分发挥了数模集成技术的优点。

使用很少的模拟元器件和相对复杂的数字信号处理电路达到高精度的目的。

第1.3节ADC的主要性能指标
1.3.1转换时间
通常而言，AD转换器的转换时间与转换器的规格存在一定的联系，AD转换
器的类型不同，也会影响到它的转换速度，有些AD转换器的转换时间可以达到
毫秒级别，而有些AD转换器的转换时间则可以达到微秒的级别，甚至有些AD 转换器的转换时间可以达到纳米秒级别等等，这些都是由AD转换器的类型来决
^定。

1.3.2分辨率
从理论上来分析，AD转换器的分辨率与模拟电压信号的等级有关，不同的模拟电压信号能够影响AD转换器的分辨率，由于AD转换器的分辨率主要采取二进制数的位数来表达，也就意味着它对输入信号的分辨能力有多强。

当输入的电
压值为打，那么AD转换器的分辨率会随着位数的增高，而越来越清晰，分辨率2…
也就越来越高，同时，他所输入的信号也就越来越清晰可见，这就是AD转换器
的分辨率的二进制数以及最小电压为19.53V等等。

第1.4 节Multisim 的简介
1.4.1 Multisim 概述
所谓NI Multisim ，即是一款电子设计自动化软件，它是由美国著名电子仪器制造公司研发制造的，被誉为二十世纪以来最伟大的电子自动化软件之一。

它被应用于电路设计、电路教学等等方面，在NI Multisim 领域具有相当高的评价以及得到广大电子技术爱好者的青睐。

NI Multisim 能够精准地图像、声音以及视频进行仿真谁、捕获分析，能够把复杂的spice 仿真内容进行此时，十分适用于电子电路方面的应用教学，在各个虚拟技术、模拟技术领域被广泛使用，特别是对图片仿真设计、图像捕获等等，都能够应用
到spiceMultisim 仿真技术，值得人们发展推广的一项技术。

因此，Multisim 技术能够对电路原理、电路硬件语言等等进行应用，借用其强大的仿真技能分析能力，能够架构真实的电路原理分析图，使得仿真技术得以解放，特别是对于板级的模拟数字电路板设计，能够大大节省了不少时间，提高了工作效率。

1.4.2 Multisim 的发展历程
20世纪80年代，Multisim电路仿真软件最早诞生于加拿大，这项技术能够对所有数字电路、模拟电路进行混合的仿真转换，尽管是一项虚拟的电子工作技术，但是已经远远突破了以往的图像交互技术瓶颈。

直至到了上世纪九十年代，我国引入了EWB并顺利推出了EWB5.0版本，使得这项技术瞬间在我国爆发并得到大力推广普及，由于其具备易操作、界面友好、功能性强大得到优势，被广大电子专业学家所热捧。

自Multisim 推出以来，就得到不断地更新和优化。

其功能日趋完善，电路分析能力逐渐增强，仿真的准确性不断提高，操作界面友好。

本文仿真使用的是2014年推出的Multisim14.1 。

1.4.3 Multisim 的特点
上世纪八十年代，仿真软件Multisim 诞生，初期的Multisim 版本都比较难以操作，经过多年的升级版本，现已十分易于操作，界面也十分友好、方便，新手很快就可以学会简单的操作，一些仿真电路也被逐步改进，当前，NI
Multisim14.1 具有以下四个特征：
1）虚拟实验仪器丰富。

Multisim2014 的操作界面与现实中的设备没有任何区别，能够十分接近现实的设备，而且还为用户提供了十分多的设备仪器，诸如万用表以及示波器等等，它的功能相当强大，能够仿真现实的虚拟电子实验平台，能够与实验室当中的多项设备进行互联互通，从而提高工作效率。

2）集成环境简洁易用。

能够极其方便地为前期设计人员提供便捷、高效的工作，无论是从电路设计，还是到仿真修改以及后期数据处理订单，都可以非常快速地做出各种操作以及建立，十分有利于软件的学习。

3）可自定义设计环境。

根据客户的不同需求，Multisim2014 能够允许设计人员随意地定义操作环境，为用户提供高效、便捷以及人性化的定制工具，大大提高了设计人员的工作效率，也使得电路更加人性化，各种元器件也更加准确。

4）分析功能强大。

这是Multisim2014 的最大特点质疑，无论是直流工作的分析，还是失真分析、瞬态分析以及噪声分析等等，Multisim2014 都能够解决这方面的问题，也能够为设计人员提供在这方面的分析方法，满足所有设计人员的设计要求，并具备强大的功能。

第2章并行比较型AD转换电路
第2.1节并行比较型AD转换电路简介
2.1.1 电路结构
■
■
fl R F 5
模桃信号
0——
+ K f L5/?
nt
图2 • 1并行比较型AD 转换结构图
电阻分压器、优先编码器、电压比较器以及寄存器共同组成了
AD 转换电路， 它的比较器和分压电阻的个数与电路的精度有关。

一个 N 位的并行比较型AD 转
换电路，要有2??- 1个比较器和分压电阻。

2.1.2电路原理
并行比较型AD 转换电路是一种直接的AD 转换电路。

它通过将模拟电压与基 准电压产生的各阶电压值相比较从而得到模拟量的大小。

进而通过编码器将模拟 量用数字代码表示。

下面以3位并行比较型AD 转换电路为例说明。

??
3位并行比较型AD 转换电路的分压器是由7个阻值位R 和1个阻值为??的电
13
阻串联得到。

这样利用基准电压?????得到7个不同的电压值。

分别为 石？??????
15
三？?>????•…£ ???????这7个电压值分别作为各比较器的参考电压。

输入的模拟信
15
15
号决定了这7个电压比较器的输出。

比较器的输出状态由寄存器储存。

再经过优 先编码器得到输出的数字信号。

选通
第2.2节并行比较型AD转换电路仿真2.2.1仿真电路图
图2 • 2 3位并行比较型AD转换电路的仿真电路2.2.2所用元器件
电阻：10K QX7、5K QX1
比较器：OPA4130X 2
寄存器：74LS74M
OutD
-In D
■Hn D V-
■Mn C
-In C OutC
优先编码器：74LS148
发光二极管：LED Red X 3
图2.3 OPA4130芯片逻辑管脚图 OPA413C 内部包含四个相同并且相互独立的电压比较器，4管脚和11管脚为 电源接口。

4管脚接5V 电压；11管脚接地。

2管脚和3管脚（5管脚和6管脚、 12管脚和13管脚、9管脚和10管脚）为输入。

1管脚（7管脚、8管脚、14管 脚）为输出。

当3管脚（5管脚、12管脚和10管脚）的输入电压大于2管脚（6 管脚、13管
脚和9管脚时），输出为高电平。

否则，输出为低电平。

OutA OPA413
1 D
B
14 13 12
11 10
8
DIP 14, 50-14
CL0C3 (W
^>r
><
LOGIC DIAGRAM (Each Hip-Fk>p)
图2 • 4 74LS74芯片逻辑引脚图
74 ls74包含两个思想和相互独立的边缘触发D触发器电路模块。

14针和7 针电源端；14针6 v电源,接地销7。

1销和13针复位信号;74 Is74包含两个思想和相互独立的边缘触发D触发器电路模块。

2管脚和12管脚接触发信号，也就是比较器的输出电压；3管脚和11管脚
接时钟信号；5管脚和9管脚为同相输出，6管脚和8管脚为反相输出。

在该电路中，要用到同相输出，即5管脚和9管脚。

表2 • 1边沿触发D触发器真值表
PRE CLR CLK D Q■??
01X X10
10X X01
00X X11
11-
110
11-
001
110X HLOD1 2(12}。