西工大自动化科技英语十章译文

模数转换器

模数转换器（ADC）的种类和冰淇凌的风味一样多，所以挑选ADC需要和挑选冰淇凌一样细心。

最常见也最易理解的一种ADC是闪式ADC。闪式ADC能够实现快速转换，因而能提供很高的采样率，但基本形式闪式ADC的功耗很大。

闪式ADC将输入信号同时置于一列（2N 1）个比较器之前，而比较器的参考电压是由一组电阻设定的，这些参考电压精确对应于转换器代表的所有的采样电压可能值。每个比较器的输出（0或1）被编码成N位码字以代表输入采样信号电平。这是最简单、最直观和最快速的ADC实现方案。对于多数实际应用而言，当位数较多时（如：大于14位），所需的电阻数就太大了。与一些速度稍慢、特殊的模数转换方案相比，闪式ADC的功耗明显要高。

图2.6显示了一个典型的闪式ADC的输出频谱。它是对纯正弦通过ADC转换后的样本进行快速傅里叶变换（FFT）得到的。可以立即明确的是：频谱不是简单地由输入正弦分量组成的，还有一些分布在测量带宽内的其他分量。这些分量主要来自不可避免的量化误差（噪声）。这是因为转换器试图使用有限个可用样值（由ADC位数决定）来代表模拟输入电平。

对于满量程正弦波，作为转换器精度函数的有效信噪比可由（在一些基本假设前提下）下式决定（公式略）。其中，N是转换器的位数。

产生图2.6中曲线的ADC具有12位转换精度，其SNR理论值为74分贝。从该曲线中可以看出：正弦分量电平和单个噪声分量电平之差接近104分贝。这两个数值之间存在差异的原因是SNR公式使用了全部噪声，其中包括构成FFT的全部单个噪声分量之和。指出这个特点的原因是：通过提高采样率，可以提高转换器的有效精度（见下文）。 过采样实现处理增益

在一个给定的音频应用中，假定我们需要转换过程中的信噪比至少为70分贝。公式表明：需要最少12位的转换精度（前提是满幅正弦波输入和理想转换器），测量中包含0~0.5fs（Hz）带宽中的全部噪声。如果采用8倍带宽的采样率（见图2.7），我们可以看到实际的音频信号仅占用了基带的1/4（0~0.5fs），而噪声在带宽内均匀分布。假设现在准备对采样信号进行数字滤波，我们可以去掉约3/4的噪声，从而将信噪比提高4分贝或6分贝。这种SNR的有效提高称为处理增益，它是通过对输入信号进行过采样（相对于2倍带宽原则而言的）来实现的。

可以很容易推导出最大处理增益的简易公式。处理增益（分贝）=10log（采样率/2×信号带宽）。在该公式中，我们假定：为了满足期望的输入信号带宽，使用数字滤波对样本带宽进行限制；而且噪声是均匀分布的。

这样的话，假如我们使用128倍采样设计（常见于微型磁盘和PC机声卡），那么就可以获得18dB的信号/量化噪声的提高，从而将转换器的有效精度从12为提高到15位。顺便说一个例子，考虑使用该方法提高数字移动电话中数据转换器的性能。一个GSM蜂窝信道的带宽为200kHz。目前，我们可以得到采样频率为80MSPS、精度为14位的高速模数转换器，这样的模数转换器能够在整个0~1/2fs的范围内提供75dB的信噪比。其处理增益如下：处理增益（dB）=10log（80 000 000/2×200 000）=26dB。这样，采样GSM信号就具有一个很好的信噪比：75+26=101dB。

西格玛—德尔塔（ ）转换器

处理增益的概念恰好可以引领我们进入西格玛—德尔塔（ ）转换器这个话题。

由于充分利用了处理增益的概念， 转换器获得了高性能、低成本、低功耗的优势； 转换器只需简单的模拟接口（需要很少的或者不需要抗混叠滤波器），所以非常适合于音频应用。图2.8显示的是一个基本 转换器的框图。

这个转换器实质上是一个后跟数字滤波和抽取、高过采样率的1位模数转换器（即比较器），数字滤波和抽取用来实现处理增益。由于增加了噪声整形电路，该转换器的有效性能获得了极大的提高。噪声整形电路将原来在0~1/2fs频带内均匀分布的噪声最大限度地从有用频带中去除（见图2.9）。

对于典型的128倍带宽过采样系统，仅处理增益一项就将有效精度提高3位（即相当于一个4位的转换器）。而噪声整形电路能将有效精度进一步地大幅度提高；对于某些用于音频的 转换器而言，现在已经可以达到24位精度了。现代转换器使用了比图2.9复杂得多的噪声整形处理方法；图2.9只是一个简单的一阶 设计；但是，使用处理增益和噪声整形的基本原则却是相同的。

实际上，目前使用的模数转换方法有几十种。逐次逼近法、多通道法、插值法、子区法和逐位处理法是其中常用的几种。每一种方法都具有一些其他方法不具备的潜在性能优势。幸运的是，在为您的应用选择ADC器件的时候，一般不需要理解其工作原理。而认真研究数据手册上提供的性能指标将会为您的应用做出最佳的选择。 Words and Expressions

implementation 实现方案 decimation n. 十中抽一，抽取 shaping n. 整形 prohibitively 不容许的

wanted 期望

sampling rates 采样率 basic form 基本形式 power hungry 功耗大 reference voltage 参考电压 power consumption 能耗 exotic solution 特殊的方案

output spectrum 输出频谱 quantization error （noise） 量化误差（噪声）

full-scale 满量程 effective signal 有效信号 converter resolution 转换器分辨率（精度） trade off 交替换位

Over-sampling 过采样 processing gain 处理增益，过程增益

base band 基带 digital filtering 数字滤波

the measurement band 测量频带 uniformly distributed 均匀分布 digital cellular phone 数字移动电话 sigma-delta converter 转换器

anti-aliasing filter 抗混叠滤波器 successive approximation 逐次逼近法

Multipass 多通道法 Interpolating 插值法

Subranging 子区法 Bit-Per-Stage 逐位处理法 performance specifications 性能指标

FFT (Fast Fourier Transform) 快速富立叶变换

ADC Analog to Digital Converters 模数转换器

SNR the effective signal to quantization noise ratio 信噪比

GSM . Global System for Mobile Communications n 全球数字移动电话系统

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