电信号放大电路图

电信号放大电路图放大电路图滤波电路图A/D转换器，即模数转换器，或简称ADC，通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。

A/D转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。

A/D转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。

A/D转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。

A/D转换一般要经过采样、保持、量化及编码4个过程。

模数转换原理概述随着数字电子技术的迅速发展，各种数字设备，特别是数字电子计算机的应用日益广泛，几乎渗透到国民经济的所有领域之中。

数字计算机只能够对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量，它在用于生产过程自动控制的时候，所要处理的变量往往是连续变化的物理量，如温度、压力、速度等都是模拟量，这些非电子信号的模拟量先要经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数字量，才能够送往计算机进行处理。

模拟量转换成数字量的过程被称为模数转换，简称A/D(Analog to Digital)转换；完成模数转换的电路被称为A/D 转换器，简称ADC(Analog to Digital Converter)。

数字量转换成模拟量的过程称为数模转换，简称D/A(Digital to Analog)转换；完成数模转换的电路称为D/A转换器，简称DAC(Digital to Analog Converter)。

模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入AD 转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。

为了保证数据处理结果的准确性，AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。

同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和DA转换器还必须有足够快的转换速度。

因此，转换精度和转换速度乃是衡量AD转换器和DA转换器性能优劣的主要标志。

编辑本段转换方法模数转换过程包括量化和编码。

量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。

编码是对每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。

最普通的码制是二进制，它有2的n次方个量级（n为位数）,可依次逐个编号。

模数转换的方法很多，从转换原理来分可分为直接法和间接法两大类。

直接法是直接将电压转换成数字量。

它用数模网络输出的一套基准电压，从高位起逐位与被测电压反复比较，直到二者达到或接近平衡（见图）。

控制逻辑能实现对分搜索的控制，其比较方法如同天平称重。

先使二进位制数的最高位Dn-1=1，经数模转换后得到一个整个量程一半的模拟电压VS，与输入电压Vin相比较，若V in>VS,则保留这一位；若V in<V s，则Dn-1=0。

然后使下一位Dn-2=1,与上一次的结果一起经数模转换后与V in相比较,重复这一过程，直到使D0=1，再与V in相比较,由V in>VS还是V in<V 来决定是否保留这一位。

经过n次比较后，n位寄存器的状态即为转换后的数据。

这种直接逐位比较型（又称反馈比较型）转换器是一种高速的数模转换电路，转换精度很高，但对干扰的抑制能力较差，常用提高数据放大器性能的方法来弥补。

它在计算机接口电路中用得最普遍。

间接法不将电压直接转换成数字，而是首先转换成某一中间量,再由中间量转换成数字。

常用的有电压-时间间隔(V/T)型和电压-频率(V/F)型两种，其中电压-时间间隔型中的双斜率法（又称双积分法）用得较为普遍。

模数转换器的选用具体取决于输入电平、输出形式、控制性质以及需要的速度、分辨率和精度。

用半导体分立元件制成的模数转换器常常采用单元结构，随着大规模集成电路技术的发展，模数转换器体积逐渐缩小为一块模板、一块集成电路。

1 什么是DSP芯片DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。

DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

根据数字信号处理的要求，DSP 芯片一般具有如下的一些主要特点：（1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

（2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。

（3）片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

（4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

（5）快速的中断处理和硬件I/O支持。

（6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

（7）可以并行执行多个操作。

（8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

2 DSP芯片的发展世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美国Iintel 公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑。

这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。

1980年。

日本NEC公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。

第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi 公司，它于1982年推出了浮点DSP芯片。

1983年，日本的Fujitsu公司推出的MB8764，其指令周期为120ns ，且具有双内部总线，从而处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。

而第一个高性能的浮点DSP芯片应是AT&T公司于1984年推出的DSP32。

在这么多的DSP芯片种类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司（Texas Instruments，简称TI）的一系列产品。

TI公司灾982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS32C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS32C40/C44，第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。

自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。

从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从80年代初的400ns（如TMS32010）降低到40ns（如TMS32C40），处理能力提高了10多倍。

DSP芯片内部关键的乘法器部件从1980年的占模区的40左右下降到5以下，片内RAM增加一个数量级以上。

从制造工艺来看，1980年采用4μ的N沟道MOS工艺，而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。

DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。

此外，DSP芯片的发展，是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。

3 DSP芯片的分类DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。

（1）. 按基础特性分这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。

如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。

如果有两种或两种以上的DSP芯片,它们的指令集和相应的机器代码机管脚结构相互兼容,则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。

（2）. 按数据格式分这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。

数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片。

以浮点格式工作的称为DSP芯片。

不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。

（3）. 按用途分按照DSP芯片的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片。

通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片。

专用型DSP芯片市为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT等。

4 DSP芯片的选择设计DSP应用系统，选择DSP芯片时非常重要的一个环节。

只有选定了DSP芯片才能进一步设计外围电路集系统的其它电路。

总的来说，DSP芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。

一般来说，选择DSP芯片时考虑如下诸多因素。

1>．DSP芯片的运算速度。

运算速度是DSP芯片的一个最重要的性能指标，也是选择DSP芯片时所需要考虑的一个主要因素。

DSP芯片的运算速度可以用以下几种性能指标来衡量：（1）指令周期。

就是执行一条指令所需要的时间，通常以ns为单位。

（2）MAC时间。

即一次乘法加上一次加法的时间。

（3）FFT执行时间。

即运行一个N点FFT程序所需的时间。

（4）MIPS。

即每秒执行百万条指令。

（5）MOPS。

即每秒执行百万次操作。

（6）MFLOPS。

即每秒执行百万次浮点操作。

（7）BOPS。

即每秒执行十亿次操作。

2>．DSP芯片的价格。

根据一个价格实际的应用情况，确定一个价格适中的DSP芯片。

3>．DSP芯片的硬件资源。

4>．DSP芯片的运算速度。

5>．DSP芯片的开发工具。

6>．DSP 芯片的功耗。

7>．其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。

DSP应用系统的运算量是确定选用处理能力多大的DSP芯片的基础。

那么如何确定DSP系统的运算量以选择DSP芯片呢？1>．按样点处理按样点处理就是DSP算法对每一个输入样点循环一次。

例如；一个采用LMS算法的256抽头德的自适应FIR滤波器，假定每个抽头的计算需要3个MAC周期，则256抽头计算需要256*3=768个MAC周期。

如果采样频率为8KHz，即样点之间的间隔为125μs的时间，DSP芯片的MAC周期为200μs，则768个周期需要153.6μs的时间，显然无法实时处理，需要选用速度更快的芯片。

2>．按帧处理有些数字信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时间间隔（通常称为帧）循环一次。

所以选择DSP芯片应该比较一帧内DSP芯片的处理能力和DSP 算法的运算量。

假设DSP芯片的指令周期为P（ns），一帧的时间为⊿τ（ns），则该DSP 芯片在一帧内所提供的最大运算量为⊿τ/ P 条指令。

5 DSP芯片的基本结构DSP芯片的基本结构包括：（1）哈佛结构；（2）流水线操作；（3）专用的硬件乘法器；（4）特殊的DSP指令；（5）快速的指令周期。

哈佛结构哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。

与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。

由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。