数模混合信号电路设计第二讲

常见的模数转换器结构 精度与速度的折衷
在数据采集系统中存在两种信号：
信号 种类
①模拟信号— 被采集物理量的电信号。 ②数字信号— 计算机运算、处理的信息
。
模拟信号的数字化处理（ ADC基本过 程）
ADC包括两个过程： 1、采样（时间离散化） 2、量化（幅度离散化）
采样过程（时间离散化）
采样过程即把连续时间离散化，这一过 程必须满足奈奎斯特采样定理，即采样 频率必须大于2倍的奈奎斯特频率，也就 是采样频率大于奈奎斯特率。如果不满 足采样定理，采样过程就会产生信号频 谱的混叠。为了避免信号频谱的混叠， 信号在采样前必须通过一个抗混叠滤波 器，把信号变为一个带限信号。这个过 程可逆。实用的办法是加入保持器。常 用的为零阶保持器。
否则， s < 2m ，抽样信号的频谱会出现混叠。
*
当
时
=
当
时
信号重建
量化
量化过程把模拟信号的连续幅值离散化 ，用有限的数字去表示模拟信号幅值的 大小。量化过程是不可逆的，经过量化 得到的数字信号不可能不失真地恢复原 信号，它必定要引入量化误差或量化噪 声。根据量化过程中量化器的输入与输 出的关系，可分为均匀量化和非均匀量 化，大多数模数转换器采用均匀量化器 。
理想ADC的特性
精度： 1LSB=D=VFS/2N
模拟输入范围： -0.5D~(2N-0.5)D 对于3位ADC： -0.5D~7.5D
量化误差的定义
量化误差：模拟输入与数字输出经过理想DAC之后的 差值，
也称为余量电压或量化噪声
量化误差曲线
斜坡信号输入
也称为余量曲线
正弦信号输入
和实际斜率的差别。
失调和满幅度误差的结合
失调、满幅度误差以及增 益误差很容易用后续的数 字信号处理消除，影响不 大 重要是的DNL和INL 测量INL和DNL时需要去 除失调和满幅度误差的影 响，所以连接实测的两个 端点代替理想的转换特性
静态性能指标
微分非线性(Differential Nonlinearity, DNL) :理想 条件下 ，模数器件相邻两个数据之间，模拟量的差值都是一样 的。但实际上，相邻两刻度之间Fra Baidu bibliotek间距不可能都是相等 的。DNL定义为：相邻两个转换点之间的距离与理想 值的最大偏差。DNL的具体数值依赖于具体的输出码 字，如果不指定具体的码字而衡量整个模数转换器的微 分非线性误差指标，则所指为所有微分非线性误差中最 大的一个。
ADC的SQNR
信号/量化噪声比
ADC精度每增加1位，其SQNR增加约6dB
ADC性能指标
ADC性能指标:静态性能指标和动态性能指
静态性能指标(Static Specifications)：静态参数主要表征 ADC在静态不变的测试环境下的性能表现，测试时所加 的测试信号在ADC转换时刻保持不变。有时又称为 DC性 能。
ADC的动态范围
假定电路噪声<<量化噪声,则动态范围定义为 若信号与噪声的峰均比相同，也可以用电压来近似
由于实际噪声以及ADC的非理想特性，达不到最大的动态范围
量化噪声en的概率密度函数（PDF ）
通常可认为量化噪声为[-D/2, D/2]内的均匀分布
其均值为0： 方差为：
即量化噪声的功率
A/D和D/A是连接模拟和数字的桥
ADC/DAC
常见的ADC
全并行Flash ADC 逐次逼近(Successive Approximation) ADC 流水线 (Pipelined) ADC 折叠 (Folding) ADC Sigma Delta ADC 两步型 (Two-Step Flash) ADC 内插型(Interpolating) ADC 算法(Algorithmic ) ADC
如果量化噪声为白噪声，则其概率密度函数如 图 所示，其代数表达式为：
量化噪声概率密度函数
理想ADC的SNR
若输入信号为峰－峰幅值等于2A（幅值为A）的正弦 信号，要使量化器不发生过载，则A的最大值为VFS/2 ，输入信号的平均功率为：
则量化器理论上能得到的最大信号噪声 比为
量化器每增加一位，其SNR增加大约6dB。
ADC一些基本概念表示相邻的数字输出量之间的间 隔，量化台阶
量化器的量化误差在[0~ ± Δ/2] 之间变化
表示能够分辨的最小输入模拟量
理想ADC位数与量化台阶数M的 关系：
3bit 则有7个量化台阶数
量化噪声
假设量化误差为加性白噪声后，可以得到其统计参 数：均值m及方差σ2。均值m表示了量化噪声的直 流分量，方差σ2则表示了除去直流分量后，量化噪 声的平均功率。
静态性能指标
失调误差(Offset Error) :
失调误差
定义：
实测的转换曲线 第一个转折点处的输 入电压-1/2LSB
1+3/4LSB
满幅度误差
定义：
实测的转换曲线最 后一个转折点处的输入 电压+1/2LSB与理想的 满幅度电压之差
5+3/4LSB
静态性能指标
增益误差(Gain Error) :增益误差是预估传递函数
动态性能指标：主要表征 ADC在动态变化的环境下的性 能表现，测试时所加测试信号是时间的函数，测试信号在 ADC转换时刻是变化的。
静态性能指标
静态性能指标：
失调误差(Offset) 增益误差(Gain Offset) 微分非线性(Differential Nonlinearity, DNL) 积分非线性(Integrated Nonlinearity, INL)
数模混合信号电路设计第二 讲
Analog-To-Digital
自然所有的界物理量如声音、光、 温度等都是以模拟信号的 形式存在
随着现代集成电路器件尺寸不断减小，速度不断加快，集 成度不断提高，廉价、高速的数字集成电路大量出现,这些 数字集成电路能够完成相当复杂的数字信号处理任务
数字信号处理技术具有更多的优势：便于传输、计算、存 储等优点.一般都采用把复杂的信号处理任务放在数字域来 完成，从而降低整个系统的设计难度、成本和功耗。
量化（幅度离散化）
量化过程就是把模拟信号的连续幅值离 散化，用有限的数字去表示模拟信号幅 值的大小。量化过程是不可逆的，经过 量化得到的数字信号不可能不失真地恢 复到原来信号，它必定要引入量化误差 或量化噪声。
冲激串抽样
从频谱图根可据以频看域出卷：积要定使理各频：移不= 重叠，抽样 频率s2m，m 为f (t)的频谱F(j)的最高频率。