丸子~

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ADC采样原理

2021-1-15 21:43:30 显示全部楼层
现状

      尽管国内有华为、紫光、中芯微等一定知名度的芯片企业,但与欧美等企业差距很大,尤其在ADC芯片上表现尤为显著。目前ADC的供应商主要有德州仪器、亚德诺等企业。中国是全球最主要的芯片需求方,但是国内能造出高精度ADC芯片的企业微乎其微,即便造出来性能与价格也跟不上市场节奏故市场占有率几乎为0。

芯片千万种,ADC芯片就是最难造的之一。真实世界的模拟信号,例如温度、压力声音或者图像等需要转换成 更容易存储、处理和发射的数字形式 。模/数转换器(ADC)就实现了这个功能,在实际应用中为了微型化,通常做成ADC芯片。

造芯片工艺精密,通常芯片单位为纳米级,而且种类繁多,一个通信基站就有上百颗芯片。基站发射回收信号,信号回收后首先要 滤波 ,然后还有芯片会将这种特别小的信号进行 放大 ;还有的芯片对其进行 解析 处理 ;然后是芯片负责 传输 分发 等等,每一步都要芯片来处理。

全球造出高精度ADC芯片不到十家,而且以美国企业为主。一块好的ADC芯片体现在  高精度 低功耗 转换效率 等指标上。


采样定理

又称奈奎斯特采样定理,即当采样频率fs 大于信号中最高频率fmax的2倍时,采样后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。在一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56~4倍。

1924 Nyquist(奈奎斯特)推导出理想低通信道的最高码元传输速率公式(传码率)。

1928 H.奈奎斯特推出采样定理,故称为奈奎斯特采样定理。

1933年,俄罗斯科捷利尼科夫首次用公式严格表述这一定理。

1948 信息论创始人 香农对这一定理加以明确地说明,并正式作为定理引用,故许多文献也称香农采样定理。

采样定理有很多表述形式,但最基本的是 时域采样定理    频域采样定理

1.1 时域

频带为F的连续信号f(t)可用一系列离散的采样值f(t1)、f(t1±Δt)、f(t1±2Δt)…来表示,只要这些采样点的时间间隔Δt 1/(2F),便可根据各采样值完全恢复原来的信号f(t)。这是时域采样定理的一种表达。

另一种表述方式是:当时间信号函数f(t)的最高频率分量为fM时,f(t)的值可由一系列采样间隔小于或等于1/(2fM)的采样值来确定,即采样点的重复频率f≥(2fM)。图为模拟信号和采样样本的示意图

我的理解:一个时间上连续的函数或波形,这个波形的最高频率达到fM,现要想用一个离散的值去表示它,并且不丢失信息,那对这一组离散值的最低要求是:这组离散值相邻值之间的时间间隔Δt不能超过T = 1/(2fM)即有Δt 1/(2fM)。这么看来,在采样的时间上Δt有最大值,那么采样的频率上f=1/ Δt是由一个最小值,即f f≥(2fM)

时域采样定理是采样误差理论、随机变量采样理论和多变量采样理论的基础。

1.2 频域

对于时间上受限制的连续信号f(t)(即当│t│>T时,f(t)=0,这里T=T2-T1是信号的持续时间),若其频谱为Fω),则可在频域上用一系列离散的采样值 来表示,只要这些采样点的频率间隔ω≦π/tm 。

1.3公式

     理想低通信道的最高码元传输速度B=2W baud (其中W是带宽),理想信号的极限信息速率(信道容量)

                                 C = B*log2N (bps)

1.4 结论

     从信号处理角度看,采样定理描述了两个过程:采样与重建。采样是连续时间信号转换为离散时间信号,重建过程是对样本进行插值的过程,即从离散的样本x[n]中,用数学的方法确定连续的信号x(t)即原始信号。这一过程的精确度受量化误差的限制。

     只要已知信号的最高频率fmax,采样定理给出了保证能完整重建此信号的最低采样频率。这一最低采样频率称为临界频率或奈奎斯特采样频率,用fN表示。反之,已知现有的采样频率,通过采样定理可知能保证重建信号的最大可采样信号频率。

    同时也说明,被采样的信号必须是 带限的 ,即 信号中高于某一给定值的频率成分是0,或至少非常接近0,这样在重建信号中这些频率成分的影响可忽略不计。比如声音信号,人类的声音信号频率超过5Khz的成分非常非常小,因此其采样频率用10Khz就足够了。

    采样率越高,稍后恢复出的波形就越接近原信号,但是对系统的要求就更高,转换电路必须具有更快的转换速度。

1.5  过采样(oversampling)

指以高于信号带宽2倍或其最高频率对其采样的过程。

欠采样

1.6 截止频率(Cutoff frequency)

指一个系统的输出信号能量开始大幅下降(在带阻滤波器中为大幅上升)的边界频率。

1.7 混叠  

如果不满足采样定理条件,采样后的信号的频率就会重叠。即被采样信号中高于采样频率一半(fs/2)的那部分频率成分将被重建成低于fs/2信号。这种频谱的重叠导致的失真称为 混叠 。而重建出来的信号称为原信号的 混叠替身 ,因为这两个信号有同样的样本值。

避免混叠发生的方法:

  • 提高采样频率 ;
  • 引入低通滤波器 或提高低通滤波器的参数,该低通滤波器称为抗混叠滤波器。
1.8  抗混叠低通滤波器

当一个信号被采样时,必须满足采样定理以避免混叠。为满足采样定理要求,信号在进行减采样前,必须通过一个具有适当截止频率的低通滤波器。这中用于避免抗混叠的低通滤波器称为 抗混叠低通滤波器 。

1.9  信号的重构

任何信号都可以看做是不同频率的正弦(余弦)信号的叠加,因此如果知道所有组成这一信号的正(余弦)信号的幅值、频率和相角,就可以重构原信号。由于信号测量、分解及时频变换的过程中存在误差,因此不能100%地重构原信号,重构的信号只能保证原信号误差在容许范围内。


                                                   ADC

数字信号变成模拟信号会产生量化噪声,需要模拟低通滤波器滤除,但模拟低通滤波器并非直接滤除截止频率以外的信号、而是大幅减少截止频率以外的信号、同时小幅减少及影响截止频率以内的信号。若能提高低通滤波器的截至频率,则模拟低通滤波器对期待保留的频段(以音响系统为例,就是人耳听得到的20hz-20khz)的影响就会降低;过采样可以将量化噪声推往更高频率、让系统可以选用更高截止频率的低通滤波器,借此避免 混叠、改善分辨率以及降低噪声。

很多场合都需要有高速的A/D采样保证有效性和精度,如无线电、数字图像采集等,一般的测控系统也希望在精度上有所突破。AD转换器是实现数字化的选择,其发展从 Flash并型 ADC SAR型ADC 积分型ADC ,但近年来发展的Σ-Δ型  Pipeline ADC , 各有优缺点,满足不同场合。

2.ADC工作原理

模拟信号转化为数字信号一般经过:采样、保持、量化和编码。采样和保持是在  采样保持电路中完成  ,而量化与编码步骤则在   ADC   中完成。


2.1采样与保持2.1.1采样

采样就是把随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的 模拟量  

其中传输门TG受采样信号S(t)的控制,在S(t)的脉宽τ期间,传输门导通,输出为输入信号v1(t),而在(Ts-τ)期间,传输们关闭,输出信号为0。

通过分析可以看到,取样信号S(t)的 频率愈高 ,所取得信号经低通滤波器后 愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大,为保证有合适的取样频率,它必须满足取样定理。

2.1.2 保持

  将采样电路取得的模拟信号转化为数字信号都  需要一定的时间 (不能做到实时转换),为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值,每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。通过一个电容器就可以存储输入的模拟电压。






  • 电路由  输入放大器A1   输出放大器A2   保持电容CH  开关驱动电路  组成。
  • 电路中要求A1具有很高的输入阻抗,  以减少对输入信号源的影响  
  • 为使 保持阶段CH上所存电荷不易泄放 ,A2也应具有较高输入阻抗,A2还应具有低的输出阻抗,这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中AV1·AV2=1。

现结合图4来分 析取样-保持电路的工作原理。在t=t0时,开关S闭合,电容被迅速充电,由于AV1·AV2=1,因此v0=vI,在t0~t1时间间隔内是取样阶段。在t=t1时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大、S为理想开关,这样可认为电容CH没有放电回路,其两端电压保持为v0不变,图中t1到t2的平坦段,就是保持阶段。

  取样-保持电路以由多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684;混合型工艺的有AD1154、SHC76等。


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