探究模數轉換技術及其發展趨勢

張紅

摘 要 本文通過對模數轉換技術的結構、原理、工作方式及特點進行簡要分析，并對模數轉換技術中存在的問題進行針對性分析，從而對模數轉換技術的未來發展趨勢進行展望。

關鍵詞 模數轉換技術；分類；發展趨勢

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）189-0038-02

隨著我國技術水平的提高與數字化程度的加深，數字技術已經成為現今電子產業的主體格局，同時數字技術在半導體產業中的應用也較為顯著。數字信號處理器、微動控制器及微機械電子系統，在現今半導體技術數字化和集成化的推動下，促使“隱性”及“嵌入”模數轉換技術也得到了飛速的發展，同時模數轉換技術也朝著高速度、高精度的方向穩步前進。

1 模數轉換技術的分類

模數轉換技術是將模擬信號轉換為數字信號的有效手段，而現今能夠使模擬信號轉換為數字信號的模數轉換技術可以分為以下幾個方面。

1.1 模數轉化技術中的積分型轉換

在高精度、低速度的測量領域中積分型模數轉換技術得到了廣泛應用，尤其是在數字儀表領域積分型轉換技術已經得到普及應用。積分型模數轉換技術有兩種轉換方式分別為：一是單積分模數轉換；二是雙積分模數轉換。

積分模型轉換技術兩種工作原理也有所差異，單積分模數轉換是將電信號轉變為時間間隔，在通過對時間間隔進行記數，從而實現模擬量的數字轉化。單積分模數轉換的轉換精度較低，比較器精度、斜坡電壓發生器的精度，以及時鐘脈沖穩定型都會對其產生較大的影響[1]。

如果想要在同樣條件下積分型轉換器的轉換精度可以得到提升，可以使用雙積分轉換方式來進行轉化操作。在轉換過程中，由于斜坡發生器會產生較大的誤差，而使用雙積分型轉換器就可以通過模擬輸入信號所產生的兩次積分，對誤差進行部分抵消，使轉換精度有所提升。雙積分型轉換方式的精度較大，可達到22位，同時其對于外界因素的影響較小。雙積分轉換方式中的積分電容可以對高頻噪聲進行抑制。雖然雙積分轉換方式的轉換精度較高，但是其轉換速度過慢，其轉換速度隨著轉換精度的降低而升高，每秒100～300次時轉換精度為12位。因此，在低速高精度的轉換領域中雙積分轉換方式得到了廣泛應用。

1.2 模數轉化技術中的逐次逼近型轉換

逐次逼近型轉換方式的轉換原理是二分搜索法的一種模數轉換法。逐次逼近轉換方式對模擬信號進行轉換時，是通過運用不同的已知、不同參考的電壓進行數次的比較，從而使所轉換的數字量的數值與輸入模擬量的對應值更為接近。逐次逼近型轉換方式具有較高的轉換速度[2]。在分辨率低于12位的情況下，與其他轉換方式相比其成本較低。模數轉換技術在應用過程中，需要使用數模轉換電路，而數模轉換電路具有較高的精度，因此，其中使用的電容和電阻也需要具有較高的網絡匹配度，使得模數轉換技術的精度較低。

1.3 模數轉化技術中的并行轉換

模數轉換方式中，并行轉換具有最快的轉換速度。并行轉換是直接對模型信號轉化為數字信號的轉換方式，其大幅度減少了轉換的步驟，幾乎可以同一時刻得到轉換的數字代碼，所以并行轉換稱為閃爍型轉換方式。并行轉換的轉換速度快，所以其適合在高速轉換領域中應用[3]。并行轉換速度雖然具有較快的轉換率，但是其分辨力較低，分辨力一般都在10位以下，如果想要提高精度，所消耗較大的功效才可以達成。并行轉換受電路的影響較大，精準度越高，所需的比較器的數目也就越多，也會加大制造的困難程度。

1.4 模數轉換技術中的過采樣Σ△模數轉換

過采樣Σ△模數轉換方式在音頻領域得到了廣泛應用。過采樣Σ△模數轉換方式的組成分為兩個部分，一是，Σ△調制器；二是，數字濾波器，而在過采樣Σ△模數轉換中Σ△調制器是核心組成部分。Σ△調制器利用反饋電路和積分器中的噪聲成型功能，可以將基帶中大部分量化噪聲轉移出去，從而使得Σ△模數轉換方式的精度較高，最大值可以達到24位以上[4]。因為在Σ△調制時，采樣頻率在一般情況下，都是最高信號頻率的64～256倍，所以這種模數轉換方式，被稱為過采樣Σ△模數轉換。調制后的模擬信號，可以得到相應的高速Σ△數字流，其中也包含的高聲頻率較多，因此，得到的數字流不能直接使用，需要采用數字濾波，將高頻噪音去除，或者將高頻噪聲進行降頻處理，然后將轉換后的數字信號以信號最高頻率的兩倍進行輸出。

過采樣Σ△模數轉換具有較高的精度，最大精度可達到24位以上。因為在過采樣Σ△模數轉換方式中，所使用的過度采樣調制、數字濾波及噪音成形等關鍵性技巧的使用，促進了數字和模擬集成技術的長處得以發揚，同時在電路處理時可以有效減少高度復雜的數字信號和模擬元件使用的同時，可以使轉換速度達到最大的精度[5]。在過采樣Σ△模數轉換方式中大部分使用的都是數字電路，而僅有5%是使用了模擬電路，同時模擬電路元件對于匹配性的要求也較低，使得圖像傳感器技術得以實現。

2 模數轉換技術未來的發展方向

隨著數字多媒體電子系統中模數轉換器的應用范圍不斷擴大，在市場占有量也在日漸增加，而對于轉換器的性能要求也隨之不斷提高，相關的模數轉換技術的轉換要求也在不斷提升，因此，對于模數轉換技術的研究也成為現今模數轉換器提升的有效手段，使模數專業擁有更快的轉化速度和轉換的精準率，成為研究工作的重點內容[6]。未來模數轉換技術的發展趨勢，可以大致分為以下3點內容：

1）不斷簡化結構。想要降低制度的難度較大，因為在芯片中部件大多都是需要具有較高的特性匹配度，所以通過對高速比較器、寬帶運放及精密電阻等部件的減少，可以使模數轉換器的結構更加簡單，這也是并行方式從兩步法、多步法的發展到信號的預處理折疊、內插法的發展原理。于此同時，模擬部件的介紹也可以使用成熟的數字電路來實現，如現今模數轉換技術中的Σ△結構就是通過數字電路實現的數字信號的轉換工作。

2）提高轉換速度。轉換速度的有效提高，是模數轉換器發展的主流趨勢，而現今的折疊插值型的模數轉換器的轉換速度已經達到8位/60MSPS。兩級流水型的模數轉換器的轉換速度也已經達到12位/4MSPS。

3）在速度提升的基礎上將分辨率盡可能的提升?，F今很多模數轉換方式的轉換速度均已得到快速提升，但是在提升速度的同時，其分辨率依然較低，因此，模數轉換方式速度提升的同時將分辨率進行提升，已經成為現今主流的發展趨勢，如現今過采樣Σ△模數轉換方式中精度度，已經達到24位以上。

3 結論

綜上所述，本文對模數轉換技術的幾點分類進行分析，并對模數轉換技術在未來的發展方向進行簡要論述。隨著電子信息技術和集成電路工藝的快速發展，使得模數轉換開展朝著速度更快、精準度更高、更低的制造成本及更加簡單的發展方向發展。

參考文獻

[1]陳楠，姚立斌.陣列型圖像傳感器模數轉換技術[J].紅外技術，2014（10）：769-776.

[2]李博.基于相位調制器的光模數轉換技術研究[D].上海：上海交通大學，2015.

[3]劉素娟，齊佩佩，姜文姝，等.基于頻域特性的時間交替模數轉換系統采樣時間誤差校正算法[J].電子學報，2015，43（3）：587-590.

[4]胡騰，陶世興，溫偉峰，等.光采樣模數轉換系統的幅度控制及測試[J].強激光與粒子束，2014，26（9）：104-108.

[5]章壯前，張洪明，傅鑫，等.一種采用并行光強度調制器的模數轉換方法[J].中國激光，2008，35（3）：378-382.

[6]高靜，姚素英，徐江濤，等.高速列并行10位模數轉換電路的設計[J].天津大學學報，2010，43（6）：489-494.