模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器主要類型

數(shù)字轉(zhuǎn)換器

這類產(chǎn)品大多是集成電路。

大多數(shù)轉(zhuǎn)換器具有6至24位的分辨率，且每秒進(jìn)行少于百萬采樣。當(dāng)要求更高的分辨率時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱噪聲(Thermal noise)。對(duì)于音頻應(yīng)用，在室溫狀態(tài)，這樣的噪聲通常小于1微伏的白噪聲。如果最大有效位對(duì)應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2伏輸出信號(hào)，對(duì)于有限噪聲信號(hào)的轉(zhuǎn)換低于20至21位，可以不需要使用抖動(dòng)。截止到2002年2月，百萬級(jí)、十億級(jí)采樣率已經(jīng)可使用。在數(shù)碼攝像機(jī)、視頻捕獲卡、電視調(diào)諧卡等需要轉(zhuǎn)換全速模擬視頻至數(shù)字視頻文件的設(shè)備中，百萬采樣率的轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用十分必要。商用轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)通常具有±0.5至1.5的最低有效位誤差。

在很多情況中，集成電路中最昂貴的部分是插腳(pins)，因?yàn)樗鼈冏屨麄€(gè)封裝變得更大，且每一個(gè)插腳必須和集成電路中的硅連接。為了節(jié)省插腳，常用的做法是每一個(gè)插腳與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信，每當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)改變到下一個(gè)狀態(tài)時(shí)，傳輸一個(gè)位的電壓信號(hào)，比如，從0伏特到5伏特。這樣做可以為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器節(jié)省很多插腳，而且在許多情況里，可以避免將整個(gè)設(shè)計(jì)復(fù)雜化(即便是微處理器，如果使用存儲(chǔ)器映射輸入輸出(Memory-mapped I/O)，就只需要一個(gè)端口的幾個(gè)位來進(jìn)行串行通信)。

商用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器經(jīng)常具有幾個(gè)輸入端口連接到同一個(gè)轉(zhuǎn)換器，采用的技術(shù)通常是利用模擬數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)行多路復(fù)用。不同的型號(hào)可能還會(huì)包含采樣-保持電路，放大器和差分信號(hào)輸入(輸入量表示為兩個(gè)端口電壓的差值)。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率是指，對(duì)于允許范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，它能輸出離散數(shù)字信號(hào)值的個(gè)數(shù)。這些信號(hào)值通常用二進(jìn)制數(shù)來存儲(chǔ)，因此分辨率經(jīng)常用比特作為單位，且這些離散值的個(gè)數(shù)是2的冪指數(shù)。例如，一個(gè)具有8位分辨率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以將模擬信號(hào)編碼成256個(gè)不同的離散值(因?yàn)?8 = 256)，從0到255(即無符號(hào)整數(shù))或從-128到127(即帶符號(hào)整數(shù))，至于使用哪一種，則取決于具體的應(yīng)用。

大多數(shù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)類型為線性，這里的"線性"是指，輸出信號(hào)的大小與輸入信號(hào)的大小成線性比例。

一些早期的轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)類型呈對(duì)數(shù)關(guān)系，由此來執(zhí)行A-law算法或μ-law算法編碼。這些編碼現(xiàn)在由高分辨率的線性模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(例如12或16位)達(dá)到，并將其8為編碼輸出值進(jìn)行繪制。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的誤差有若干種來源。量化錯(cuò)誤和非線性誤差(假設(shè)這個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器標(biāo)稱具有線性特征)是任何模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換中都存在的內(nèi)在誤差。也有一種被稱作孔徑錯(cuò)誤(aperture error)，它是由于時(shí)鐘的不良振蕩，且常常在對(duì)時(shí)域信號(hào)數(shù)字化的過程中出現(xiàn)。

這種誤差用一個(gè)稱為"最低有效位"的參數(shù)來衡量。

模擬信號(hào)在時(shí)域上是連續(xù)的，因此可以將它轉(zhuǎn)換為時(shí)間上連續(xù)的一系列數(shù)字信號(hào)。這樣就要求定義一個(gè)參數(shù)來表示新的數(shù)字信號(hào)采樣自模擬信號(hào)速率。這個(gè)速率稱為轉(zhuǎn)換器的采樣率(sampling rate)或采樣頻率(sampling frequency)。

可以采集連續(xù)變化、帶寬受限的信號(hào)(即每隔一時(shí)間測量并存儲(chǔ)一個(gè)信號(hào)值)，然后可以通過插值將轉(zhuǎn)換后的離散信號(hào)還原為原始信號(hào)。這一過程的精確度受量化誤差的限制。然而，僅當(dāng)采樣率比信號(hào)頻率的兩倍還高的情況下才可能達(dá)到對(duì)原始信號(hào)的忠實(shí)還原，這一規(guī)律在采樣定理有所體現(xiàn)。

由于實(shí)際使用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器不能進(jìn)行完全實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)換，所以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換的過程中必須通過一些外加方法使之保持恒定。常用的有采樣-保持電路，在大多數(shù)的情況里，通過使用一個(gè)電容器可以存儲(chǔ)輸入的模擬電壓，并通過開關(guān)或門電路來閉合、斷開這個(gè)電容和輸入信號(hào)的連接。許多模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路在內(nèi)部就已經(jīng)包含了這樣的采樣-保持子系統(tǒng)。

所有的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以每隔一定時(shí)間進(jìn)行采樣的形式進(jìn)行工作。因此，它們的輸出信號(hào)只是對(duì)輸入信號(hào)行為的不完全描述。在某一次采樣和下一次采樣之間的時(shí)間段，僅僅根據(jù)輸出信號(hào)，是無法得知輸入信號(hào)的形式的。如果輸入信號(hào)以比采樣率低的速率變化，那么可以假定這兩次采樣之間的信號(hào)介于這兩次采樣得到的信號(hào)值。然而，如果輸入信號(hào)改變過快，則這樣的假設(shè)是錯(cuò)誤的。

如果模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的信號(hào)在系統(tǒng)的后期，通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(digital to analog converter, DAC)，則輸出信號(hào)可以忠實(shí)地反映原始信號(hào)。如經(jīng)過輸入信號(hào)的變化率比采樣率大得多，則是另一種情況，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出的這種"假"信號(hào)被稱作"混疊"?；殳B信號(hào)的頻率為信號(hào)頻率和采樣率的差。例如，一個(gè)2千赫茲的正弦曲線信號(hào)在采樣率在1.5千赫茲采樣率的轉(zhuǎn)換后，會(huì)被重建為500赫茲的正弦曲線信號(hào)。這樣的問題被稱作"混疊"。

為了避免混疊現(xiàn)象，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須通過低通濾波器進(jìn)行濾波處理，過濾掉頻率高于采樣率一半的信號(hào)。這樣的濾波器也被稱作反鋸齒濾波器。它在實(shí)用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中十分重要，常在混有高頻信號(hào)的模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)用。

盡管在大多數(shù)系統(tǒng)里，混疊是不希望看到的現(xiàn)象，值得注意的是，它可以提供限制帶寬高頻信號(hào)的同步向下混合(simultaneous down-mixing ，請(qǐng)參見采樣過疏和混頻器)。

在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器中，工作狀況可以通過引入抖動(dòng)信號(hào)(Dither)得到改善。Dither信號(hào)是在轉(zhuǎn)換前混入輸入信號(hào)的微量隨機(jī)噪聲(白噪聲)。它的作用效果是輸入信號(hào)極小時(shí)，造成LSB的狀態(tài)隨機(jī)在0和1之間振蕩，而不是處于某一個(gè)固定值。這樣做可以擴(kuò)展模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換的有效范圍，而不需要在低輸入的情況下完全切斷這個(gè)信號(hào)，不過這樣做的代價(jià)是噪音會(huì)小幅增加，量化誤差會(huì)擴(kuò)散到一系列噪音信號(hào)值。在時(shí)間范圍上，還是可以較為精確地反映信號(hào)在時(shí)間上的變化。在輸出端，使用一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮訛V波器可以還原這個(gè)小幅信號(hào)波動(dòng)。

沒有加入Dither信號(hào)的低幅音頻信號(hào)聽起來十分扭曲和令人不快。因?yàn)槿绻麤]有Dither信號(hào)，低幅信號(hào)可能造成最低有效位固定在0或者1。引入Dither信號(hào)之后，音頻的實(shí)際振幅可以通過在取一段時(shí)間上實(shí)際量化的采樣和一系列Dither信號(hào)的采樣的平均值來計(jì)算。Dither信號(hào)在一些集成系統(tǒng)里也有應(yīng)用，例如電度表，它可以使信號(hào)值產(chǎn)生比模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器最低有效位更為精確的結(jié)果。注意引入Dither信號(hào)只能增加采樣器的分辨率，但是不能增加其線性的性質(zhì)，因此精確度不一定能夠改善。

通常的，為了經(jīng)濟(jì)，信號(hào)以允許的最低采樣率被采樣，造成的結(jié)果是產(chǎn)生在轉(zhuǎn)換器整個(gè)通帶上分布的白噪聲。如果信號(hào)以高于奈奎斯特頻率的頻率被采樣、然后進(jìn)行數(shù)字濾波，才從而保證限制信號(hào)帶寬，則又以下幾個(gè)好處:

數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器更好的性質(zhì)(更銳利的滾降、相位)，所有可以構(gòu)成更銳利的反鋸齒濾波器，從而可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行向下采樣，給出更好的結(jié)果;

一個(gè)20位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以當(dāng)做一個(gè)24位、具有256倍過密采樣的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器使用;

盡管有量化噪聲，信噪比還是會(huì)比使用整個(gè)可用的帶寬更高。使用了此技術(shù)后，可能會(huì)獲得一個(gè)比單獨(dú)使用轉(zhuǎn)換器更高的分辨率;

每倍頻的過密采樣(在很多應(yīng)用中還不夠)的信噪比的改善為3分貝(等效于0.5位)。因此，過密采樣通常與噪音信號(hào)整形耦合在一起。通過噪音整形，改善可以達(dá)到每倍頻6L+3 dB(這里L(fēng)是用于噪音整形的環(huán)路濾波器的階數(shù)，例如，一個(gè)2階環(huán)路濾波器可以提供15分貝每倍頻的改善)。

相對(duì)速度和精確度

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的速度根據(jù)其種類有較大的差異。威爾金森模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器受到其時(shí)鐘率的限制。目前，頻率超過300兆赫茲已經(jīng)成為可能。轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間這屆與溝道的數(shù)量成比例。對(duì)于一個(gè)逐次逼近(successive-approximation)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間與溝道數(shù)量的對(duì)數(shù)成比例。這樣，大量溝道可以使逐次逼近轉(zhuǎn)換器比威爾金森轉(zhuǎn)換器快。然而，威爾金斯轉(zhuǎn)換器小號(hào)的時(shí)間是數(shù)字的，而逐次逼近轉(zhuǎn)換器是模擬的。由于模擬的自身就比數(shù)字的更慢，當(dāng)溝道數(shù)量增加，所需的時(shí)間也增加。這樣，其在工作時(shí)具有相互競爭的過程。Flash模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是這三種里面最快的一種，轉(zhuǎn)換基本是以一個(gè)單獨(dú)平行的過程。對(duì)于一個(gè)8位單元，轉(zhuǎn)換可以在十幾個(gè)納秒的時(shí)間內(nèi)完成。

人們期望在速度和精確度之間達(dá)到一個(gè)最佳平衡。Flash模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器具有與比較器水平的漂移和不確定性，這將導(dǎo)致溝道寬度的不均一性。結(jié)果是Flash模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的線性不佳。對(duì)于逐次逼近模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，糟糕的線性也很明顯，不過這還是比Flash模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器好一點(diǎn)。這里，非線性是源于減法過程的誤差積累。在這一點(diǎn)上，威爾金森轉(zhuǎn)換器是表現(xiàn)最好的。它們擁有最好的微分非線性。其他種類的轉(zhuǎn)換器則要求溝道平滑，以達(dá)到像威爾金森轉(zhuǎn)換器的水平。