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隨著電子技術(shù)的發(fā)展，仿真在電子電路系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注。目前，可用于電子電路系統(tǒng)的仿真計(jì)算的軟件很多，比較常見(jiàn)的有PSPICE、MATLAB等。PSPICE非常適合在電路仿真中應(yīng)用，它有豐富的電路元件庫(kù)。而MATLAB則是一個(gè)用于系統(tǒng)仿真的理想軟件。MATLAB是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語(yǔ)言，SIMULINK是其提供的一個(gè)圖形化仿真環(huán)境，同時(shí)也是一個(gè)集建模、仿真和分析于一體的工具箱，利用SIMULINK可以方便地對(duì)用傳輸函數(shù)、微分方程和狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。 目前，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在許多通信系統(tǒng)的信息傳輸中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，而在要處理的模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)之間需要一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換界面，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以供數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理。流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器憑借其高速度、高精度得到了廣泛的應(yīng)用。本文以1.5位/級(jí)10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)為仿真對(duì)象，對(duì)其性能進(jìn)行了仿真。 1.5位/級(jí)10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)分析 1.5位/級(jí)10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了圖1所示的結(jié)構(gòu)，共九級(jí)實(shí)現(xiàn)10位數(shù)字輸出。每級(jí)流水線包括子模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、子數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、減法電路和增益電路。輸入的模擬信號(hào)經(jīng)采樣保持（S/H）后送到第一級(jí)，每級(jí)子ADC產(chǎn)生兩位數(shù)字輸出，同時(shí)保持的輸入信號(hào)減去由子DAC變換輸出的模擬量，余量被殘差放大器放大2倍后送入下一級(jí)。其中前八級(jí)，采用相同的1.5位/級(jí)，第九級(jí)則是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2位flash ADC。由九級(jí)產(chǎn)生的18位數(shù)字量送到數(shù)字校正電路，產(chǎn)生10位數(shù)字輸出。 這種流水線結(jié)構(gòu)的每級(jí)應(yīng)用框圖如圖2所示。為了簡(jiǎn)單一些，圖中只畫(huà)了單邊結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中是采用全差分結(jié)構(gòu)。這里采用了開(kāi)關(guān)電容電路，在兩相不交疊時(shí)鐘下工作。在第一相時(shí)鐘其間，輸入信號(hào)Vin被加到子ADC上，子ADC有兩個(gè)比較電壓，Vref/4，-Vref/4。輸入信號(hào)的變化范圍是從-Vref到+Vref（差分結(jié)構(gòu)）。同時(shí)，輸入信號(hào)Vin也被加到采樣電容Cs和Cf上。在第一相時(shí)鐘結(jié)束時(shí)，Vin通過(guò)Cs和Cf被采樣，并且子ADC的輸出被鎖存。在第二相時(shí)鐘時(shí)，Cf另一端接到運(yùn)放的輸出端，形成負(fù)反饋。而Cs的另一端則接到DAC的輸出端。通過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu)在Vo端將產(chǎn)生殘差輸出。子ADC的輸出通過(guò)一個(gè)模擬多路器來(lái)選擇DAC的輸出電壓Vdac。1.5位/級(jí)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的每級(jí)傳輸函數(shù)如下。 1.5位/級(jí)10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的仿真模型 本文建立的10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器是由九級(jí)級(jí)聯(lián)而成的，前8級(jí)采用了相同的結(jié)構(gòu)。下面給出了前8級(jí)每級(jí)的模型以及第九級(jí)的模型，如圖3所示。 圖(a)中子ADC模塊是對(duì)采樣以后的模擬信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較輸出兩位的數(shù)字量，同時(shí)這兩位的數(shù)字量經(jīng)譯碼器譯碼后送到子DAC，作為子DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的依據(jù)。子DAC模塊主要是根據(jù)子ADC提供的數(shù)字量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)模擬量送到加法器。圖(b)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的2位flash結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其原理及實(shí)現(xiàn)的功能跟上述子ADC基本相同。 1.5位/級(jí)10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的仿真 圖4是1.5位/級(jí)10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的九級(jí)系統(tǒng)模型，其中上面的前8個(gè)框圖結(jié)構(gòu)與圖3中的圖(a)相同，第九個(gè)框圖與圖(b)相同。圖中的下半部分為數(shù)字校正電路，因?yàn)橛辛诉@部分?jǐn)?shù)字校正電路，使模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)子ADC中比較器的要求大大降低，其誤差可以達(dá)到±1/2LSB。 根據(jù)圖4建立的1.5位/級(jí)10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的九級(jí)系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，其仿真結(jié)果如圖5所示。這里Vref為1V，圖5(c)是第一級(jí)的殘差輸出，它也代表了每級(jí)的傳輸曲線，可以看到模擬結(jié)果與式(1)所列的傳輸函數(shù)相符合。圖5(e)為10位數(shù)字輸出，可以看出它與理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)果基本符合。圖(f)為三級(jí)1.5位/級(jí)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出，通過(guò)跟圖(e)比較可以發(fā)現(xiàn)，流水線的級(jí)數(shù)越多，結(jié)果越精確。通過(guò)這些比較可以看出，本文采用的仿真方法可行。 還可以改變模型中子模塊的參數(shù)，來(lái)觀察它對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的影響。例如，可以改變?cè)鲆婺K中的增益值，即給系統(tǒng)添加一個(gè)增益誤差，通過(guò)模擬可以發(fā)現(xiàn)它使系統(tǒng)的輸出在±1/4Vref處產(chǎn)生誤差，嚴(yán)重的甚至產(chǎn)生失碼。同時(shí)，子DAC中的參考電壓的變化，以及子ADC中比較器誤差的影響等，都可以通過(guò)系統(tǒng)仿真來(lái)進(jìn)行分析。 結(jié) 論 利用SIMULINK建立了1.5位/級(jí)10位流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)模型，對(duì)其性能進(jìn)行了仿真，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的某些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了修改，分析了參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。通過(guò)前面的一系列模擬分析，可以看出MATLAB為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析帶來(lái)方便。 |
