光学模数转换器的原理及发展
张红
摘 要 本文通過对模数转换技术的结构、原理、工作方式及特点进行简要分析，并对模数转换技术中存在的问题进行针对性分析，从而对模数转换技术的未来发展趋势进行展望。
关键词 模数转换技术；分类；发展趋势
中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）189-0038-02
随着我国技术水平的提高与数字化程度的加深，数字技术已经成为现今电子产业的主体格局，同时数字技术在半导体产业中的应用也较为显著。数字信号处理器、微动控制器及微机械电子系统，在现今半导体技术数字化和集成化的推动下，促使“隐性”及“嵌入”模数转换技术也得到了飞速的发展，同时模数转换技术也朝着高速度、高精度的方向稳步前进。
1 模数转换技术的分类
模数转换技术是将模拟信号转换为数字信号的有效手段，而现今能够使模拟信号转换为数字信号的模数转换技术可以分为以下几个方面。
1.1 模数转化技术中的积分型转换
在高精度、低速度的测量领域中积分型模数转换技术得到了广泛应用，尤其是在数字仪表领域积分型转换技术已经得到普及应用。积分型模数转换技术有两种转换方式分别为：一是单积分模数转换；二是双积分模数转换。
积分模型转换技术两种工作原理也有所差异，单积分模数转换是将电信号转变为时间间隔，在通过对时间间隔进行记数，从而实现模拟量的数字转化。单积分模数转换的转换精度较低，比较器精度、斜坡电压发生器的精度，以及时钟脉冲稳定型都会对其产生较大的影响[1]。
如果想要在同样条件下积分型转换器的转换精度可以得到提升，可以使用双积分转换方式来进行转化操作。在转换过程中，由于斜坡发生器会产生较大的误差，而使用双积分型转换器就可以通过模拟输入信号所产生的两次积分，对误差进行部分抵消，使转换精度有所提升。双积分型转换方式的精度较大，可达到22位，同时其对于外界因素的影响较小。双积分转换方式中的积分电容可以对高频噪声进行抑制。虽然双积分转换方式的转换精度较高，但是其转换速度过慢，其转换速度随着转换精度的降低而升高，每秒100～300次时转换精度为12位。因此，在低速高精度的转换领域中双积分转换方式得到了广泛应用。
1.2 模数转化技术中的逐次逼近型转换
逐次逼近型转换方式的转换原理是二分搜索法的一种模数转换法。逐次逼近转换方式对模拟信号进行转换时，是通过运用不同的已知、不同参考的电压进行数次的比较，从而使所转换的数字量的数值与输入模拟量的对应值更为接近。逐次逼近型转换方式具有较高的转换速度[2]。在分辨率低于12位的情况下，与其他转换方式相比其成本较低。模数转换技术在应用过程中，需要使用数模转换电路，而数模转换电路具有较高的精度，因此，其中使用的电容和电阻也需要具有较高的网络匹配度，使得模数转换技术的精度较低。
1.3 模数转化技术中的并行转换
模数转换方式中，并行转换具有最快的转换速度。并行转换是直接对模型信号转化为数字信号的转换方式，其大幅度减少了转换的步骤，几乎可以同一时刻得到转换的数字代码，所以并行转换称为闪烁型转换方式。并行转换的转换速度快，所以其适合在高速转换领域中应用[3]。并行转换速度虽然具有较快的转换率，但是其分辨力较低，分辨力一般都在10位以下，如果想要提高精度，所消耗较大的功效才可以达成。并行转换受电路的影响较大，精准度越高，所需的比较器的数目也就越多，也会加大制造的困难程度。
1.4 模数转换技术中的过采样Σ△模数转换
过采样Σ△模数转换方式在音频领域得到了广泛应用。过采样Σ△模数转换方式的组成分为两个部分，一是，Σ△调制器；二是，数字滤波器，而在过采样Σ△模数转换中Σ△调制器是核心组成部分。Σ△调制器利用反馈电路和积分器中的噪声成型功能，可以将基带中大部分量化噪声转移出去，从而使得Σ△模数转换方式的精度较高，最大值可以达到24位以上[4]。因为在Σ△调制时，采样频率在一般情况下，都是最高信号频率的64～256倍，所以这种模数转换方式，被称为过采样Σ△模数转换。调制后的模拟信号，可以得到相应的高速Σ△数字流，其中也包含的高声频率较多，因此，得到的数字流不能直接使用，需要采用数字滤波，将高频噪音去除，或者将高频噪声进行降频处理，然后将转换后的数字信号以信号最高频率的两倍进行输出。
过采样Σ△模数转换具有较高的精度，最大精度可达到24位以上。因为在过采样Σ△模数转换方式中，所使用的过度采样调制、数字滤波及噪音成形等关键性技巧的使用，促进了数字和模拟集成技术的长处得以发扬，同时在电路处理时可以有效减少高度复杂的数字信号和模拟元件使用的同时，可以使转换速度达到最大的精度[5]。在过采样Σ△模数转换方式中大部分使用的都是数字电路，而仅有5%是使用了模拟电路，同时模拟电路元件对于匹配性的要求也较低，使得图像传感器技术得以实现。
2 模数转换技术未来的发展方向
随着数字多媒体电子系统中模数转换器的应用范围不断扩大，在市场占有量也在日渐增加，而对于转换器的性能要求也随之不断提高，相关的模数转换技术的转换要求也在不断提升，因此，对于模数转换技术的研究也成为现今模数转换器提升的有效手段，使模数专业拥有更快的转化速度和转换的精准率，成为研究工作的重点内容[6]。未来模数转换技术的发展趋势，可以大致分为以下3点内容：
1）不断简化结构。想要降低制度的难度较大，因为在芯片中部件大多都是需要具有较高的特性匹配度，所以通过对高速比较器、宽带运放及精密电阻等部件的减少，可以使模数转换器的结构更加简单，这也是并行方式从两步法、多步法的发展到信号的预处理折叠、内插法的发展原理。于此同时，模拟部件的介绍也可以使用成熟的数字电路来实现，如现今模数转换技术中的Σ△结构就是通过数字电路实现的数字信号的转换工作。
2）提高转换速度。转换速度的有效提高，是模数转换器发展的主流趋势，而现今的折叠插值型的模数转换器的转换速度已经达到8位/60MSPS。两级流水型的模数转换器的转换速度也已经达到12位/4MSPS。
3）在速度提升的基础上将分辨率尽可能的提升。现今很多模数转换方式的转换速度均已得到快速提升，但是在提升速度的同时，其分辨率依然较低，因此，模数转换方式速度提升的同时将分辨率进行提升，已经成为现今主流的发展趋势，如现今过采样Σ△模数转换方式中精度度，已经达到24位以上。
3 结论
综上所述，本文对模数转换技术的几点分类进行分析，并对模数转换技术在未来的发展方向进行简要论述。随着电子信息技术和集成电路工艺的快速发展，使得模数转换开展朝着速度更快、精准度更高、更低的制造成本及更加简单的发展方向发展。
参考文献
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[2]李博.基于相位调制器的光模数转换技术研究[D].上海：上海交通大学，2015.
[3]刘素娟，齐佩佩，姜文姝，等.基于频域特性的时间交替模数转换系统采样时间误差校正算法[J].电子学报，2015，43（3）：587-590.
[4]胡腾，陶世兴，温伟峰，等.光采样模数转换系统的幅度控制及测试[J].强激光与粒子束，2014，26（9）：104-108.
[5]章壮前，张洪明，傅鑫，等.一种采用并行光强度调制器的模数转换方法[J].中国激光，2008，35（3）：378-382.
[6]高静，姚素英，徐江涛，等.高速列并行10位模数转换电路的设计[J].天津大学学报，2010，43（6）：489-494.
