陳楠 龍飛

摘 要： 針對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）教學(xué)中，學(xué)生僅依賴?yán)碚搶W(xué)習(xí)，很難和實(shí)際ADC結(jié)構(gòu)及應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)等問(wèn)題，以目前應(yīng)用較為廣泛的流水線型ADC為例， 探討MATLAB/Simulink仿真在ADC教學(xué)中的應(yīng)用。通過(guò)在Simulink環(huán)境下搭建流水線ADC的行為模型，并進(jìn)行仿真結(jié)果演示，使學(xué)生對(duì)此類ADC的結(jié)構(gòu)和工作原理有了直觀的認(rèn)識(shí)，提高了課程的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞： Simulink； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）； 流水線； 仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2015）09-36-03

Application of MATLAB/Simulink simulation in the teaching of ADC

Chen Nan， Long Fei

（Guizhou university for nationalities information engineering institute， Guiyang， Guizhou 550025， China）

Abstract： In the teaching of analog-to-digital converter （ADC）， the students rely only on theoretical study， it is difficult to link with the actual ADC structure and the application. Taking the widely used pipelined ADC as an example， this paper discusses the application of MATLAB/Simulink in the teaching of ADC. In the Simulink environment， the behavior model of pipelined ADC is built， and the simulation results are presented， which makes the students understand the structure and working principle of this type of ADC， and the teaching effect is improved.

Key words： Simulink； analog-to-digital converter（ADC）； pipelined； simulation

0 引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電子系統(tǒng)。在現(xiàn)代生活中，從普通的數(shù)據(jù)采集到復(fù)雜的數(shù)字信息處理，從智能手機(jī)到互聯(lián)網(wǎng)，ADC在各式各樣的電子設(shè)備中成為連接周圍物理世界到數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備的重要橋梁。在電子信息類的本科教學(xué)中，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)并掌握好ADC的工作原理，對(duì)于后續(xù)復(fù)雜電子電路系統(tǒng)中模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的分析與設(shè)計(jì)會(huì)有很大幫助。但由于目前ADC的種類繁多，工作原理和結(jié)構(gòu)各異，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，往往僅掌握了A/D轉(zhuǎn)換的基本原理，即采樣、量化、編碼，而無(wú)法將其和實(shí)際的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)書(shū)本上繁瑣的結(jié)構(gòu)原理圖，感到很抽象乏味。學(xué)生在這部分的學(xué)習(xí)中常無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效果。為應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少及實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)備的不足，我們采用MATLAB/Simulink軟件中豐富的電路元件庫(kù)，來(lái)搭建和模擬目前常用的ADC行為模型及其電路結(jié)構(gòu)，通過(guò)修改各種相關(guān)參數(shù)，可以模擬電路的真實(shí)工作情況，實(shí)時(shí)的顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 MATLAB/Simulink仿真軟件簡(jiǎn)介

Matlab是一個(gè)通用的科學(xué)計(jì)算平臺(tái)，適用于工程各領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算。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。采用直觀的圖形化形式進(jìn)行電路圖輸入，軟件界面友好、操作方便、簡(jiǎn)單易學(xué)。該軟件在Windows平臺(tái)上運(yùn)行。Simulink提供了大量的功能塊，建模時(shí)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊與拖拽庫(kù)中的功能塊，并將它們連接起來(lái)即可。用戶可以將功能塊組成子系統(tǒng)來(lái)建立多級(jí)模型。功能塊和連接的數(shù)目沒(méi)有限制。Simulink框圖還提供了交互性很強(qiáng)的非線性仿真環(huán)境。用戶可以通過(guò)菜單執(zhí)行仿真，或使用命令進(jìn)行批處理。仿真結(jié)果可以在運(yùn)行的同時(shí)通過(guò)示波器或圖形窗口顯示[1]。

2 MATLAB/Simulink在模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理教學(xué)中的應(yīng)用

根據(jù)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器性能的不同需求ADC同時(shí)發(fā)展出各種各樣的結(jié)構(gòu)。其主要結(jié)構(gòu)有：全并行ADC、折疊內(nèi)插ADC、逐次逼近ADC、流水線型ADC和Σ-ΔADC等[2]。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理教學(xué)中，由于受學(xué)時(shí)等因素限制，無(wú)法將這幾類ADC的結(jié)構(gòu)和工作原理都依依詳述，因此選擇轉(zhuǎn)換速度和精度都比較高、應(yīng)用廣泛的流水線結(jié)構(gòu)的ADC為主要講授內(nèi)容。本文以1.5位/級(jí)10位流水線型ADC為例，說(shuō)明Simulink在其系統(tǒng)建模及仿真中的應(yīng)用。

2.1 1.5位/級(jí)10位流水線ADC結(jié)構(gòu)分析

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前端采樣保持電路、子級(jí)流水線單元、數(shù)字校正電路組成[3]。每級(jí)流水線（通常最后一級(jí)除外）單元包括一個(gè)MDAC和一個(gè)子ADC，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，每級(jí)流水線由子模數(shù)轉(zhuǎn)換器（子ADC）產(chǎn)生一組數(shù)字碼輸出，然后將這個(gè)數(shù)字碼通過(guò)子DAC重新轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并與輸入到該級(jí)的模擬信號(hào)相減得到一個(gè)模擬余量電壓值，該余差電壓被放大輸出到下級(jí)流水線單元。

每級(jí)中的子模數(shù)轉(zhuǎn)換器由低分辨率的FLASH ADC構(gòu)成，例如1.5bit/級(jí)的結(jié)構(gòu)每級(jí)需要兩個(gè)比較器，比較器電壓分別為Vref/4和-Vref/4。由于比較器的失調(diào)電壓容易導(dǎo)致誤差，因此通過(guò)添加冗余位到各級(jí)的數(shù)字輸出，并將所得的數(shù)字碼送入數(shù)字校正模塊進(jìn)行校正，即可消除此可能導(dǎo)致的誤差[4]。經(jīng)過(guò)校正的Dout即為模擬輸入信號(hào)Vin通過(guò)該流水線ADC后得到的數(shù)字輸出。

2.2 基于Simulink的1.5bit/級(jí)流水線ADC仿真模型

利用Simulink的Ports&Subsystems子庫(kù)中的Subsystem模塊搭建如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。其中pipeline stage子系統(tǒng)中由九級(jí)流水線單元級(jí)聯(lián)而成，前八級(jí)結(jié)構(gòu)完全相同。

第九級(jí)為一個(gè)兩位的并行FLASH ADC。Delay cell子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成各子級(jí)數(shù)字碼的統(tǒng)一輸出。Error correction子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成數(shù)字校正。另外為了方便學(xué)生對(duì)比輸入/輸出結(jié)果，在模型中還格外添加了一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即圖2中所示的Analog out子系統(tǒng)。整個(gè)模型的核心部分就是流水線子系統(tǒng)。在圖3中分別表示了各級(jí)流水線單元結(jié)構(gòu)框架、子ADC結(jié)構(gòu)，以及子DAC結(jié)構(gòu)。

2.3 1.5bit/級(jí)10位流水線ADC仿真分析

根據(jù)基于simulink所建立的流水線ADC模型，當(dāng)設(shè)置參考電壓Vref=5V時(shí)，可以得到圖4所示仿真結(jié)果，圖4（a）為第一級(jí)殘差電壓隨輸入信號(hào)的傳輸曲線；圖4（b）圖為第二級(jí)殘。

差電壓的傳輸曲線。由圖4可以看出，采用該模型所得到的每級(jí)傳輸曲線和理想曲線基本相符。

本文將一個(gè)頻率為1MHz的正弦信號(hào)作為此流水線ADC的輸入信號(hào)，在采樣頻率分別為10MHz和100MHz的情況下，得到經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后再根據(jù)所得數(shù)字信號(hào)恢復(fù)的模擬信號(hào)與原信號(hào)的對(duì)比圖，如圖5（a）、（b）所示。

從圖5可以看出，只要滿足奈奎斯特采樣頻率的大小，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)該ADC后基本都能復(fù)原，采樣頻率越高，波形恢復(fù)越接近原始信號(hào)，但伴隨著采樣頻率的提高，輸出波形也會(huì)有很多高次諧波的產(chǎn)生。由此可知，通過(guò)利用Simulink來(lái)對(duì)ADC建模是可行的。本文所述模型是一個(gè)接近理想的模型，我們還可以改變模塊中的參數(shù)，例如加入電容失配、放大器增益誤差等[5]，來(lái)觀察這些參數(shù)對(duì)波形的影響，并通過(guò)系統(tǒng)仿真來(lái)進(jìn)行分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用MATLAB/Simulink環(huán)境快速、完整的搭建出了流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的行為模型，可實(shí)時(shí)地顯示出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生利用該仿真軟件學(xué)習(xí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理時(shí)，不僅可以直觀生動(dòng)地觀察到整個(gè)器件的工作過(guò)程、各階段的信號(hào)變化以及該ADC的輸入輸出特性曲線，還可以在現(xiàn)有理想模型的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行該ADC的非理想模型的搭建，并在軟件系統(tǒng)引導(dǎo)下逐步進(jìn)行更深的研究。將MATLAB/Simulink仿真技術(shù)應(yīng)用在模數(shù)轉(zhuǎn)換器的教學(xué)中，突破了對(duì)各種結(jié)構(gòu)ADC的學(xué)習(xí)限制，實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的緊密結(jié)合。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王學(xué)權(quán).10位流水線結(jié)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.4.

[3] 李萌.基于Matlab的新型Pipeline ADC的建模和仿真[J].電子器件，2008.31（3）.

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