[發明專利]大動態中高頻模擬信號數字化轉換電路

無效

• 申請號: 201210581594.0
• 申請日: 2012-12-27
• 公開（公告）號: CN103067005A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 何翠平;朱少林;熊先越;曹偉軍;覃桂雋;王紹雷;馬志超
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十四研究所
• 主分類號: H03M1/08
• 分類號: H03M1/08
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 歐陽波

技術領域

本發明涉及中、高頻模擬信號的遠程傳輸或數字采集技術領域，具體為一種大動態中高頻模擬信號數字化轉換電路。

背景技術

自然界原始存在的信號基本都是以模擬的形式存在的，如聲音、圖像、亮度、無線電波等等，這些信號在進入計算機數字系統或數字通信系統之前必須先完成數字化轉換，即模數轉換，將連續變化的模擬信號轉換成0/1變化的數字化信號。根據模擬信號的頻率差異，模數轉換可分成低頻數字化轉換技術（1MHz以下）、中頻數字化轉換技術（1MHz～150MHz）和高頻數字化轉換技術（150MHz以上），一般情況下，為了獲得盡可能小的轉換誤差，就必須使轉換電路具有足夠高的數字量化分辨率和足夠大的信號處理動態，而這主要由所采用的模數轉換集成芯片性能決定。

在低頻數字化轉換技術領域，目前最高的模數轉換芯片量化精度已經達到24位，能夠同時處理的信號大小幅度差可以達到130dB（約500,0000倍）以上，大動態的低頻信號的數字化處理已經完全能滿足人們的日常工作需要。

在中、高頻模擬信號的數字化轉換技術領域，應用對象主要以無線電信號為主，主要包括短波/超短波無線電信號、雷達中頻信號以及其他中、高頻段的模擬信號。在電子干擾環境下或技偵應用場合這些信號的幅度變化范圍非常大，目前最好的前端天線接收的大、小信號幅度差已經可以達到120dB（約100,0000倍），而最好的高速模數轉換芯片只能達到16位的量化分辨率，數字化轉換動態范圍典型值在95dB左右，折合大小信號幅度差約56000倍，采用現有的芯片簡單去進行大動態信號的數字化轉換處理將損失25dB以上動態范圍，相當于信號范圍被壓縮了差不多18倍，因此現有的中高頻數字化轉換技術無法滿足此類信號的動態范圍轉換要求，在轉換過程中很多原始信號將會被忽略。

另外從高速模數轉換芯片的設計、制造上分析，由于中、高頻模擬信號的模數轉換必須采用并行數字化技術（串行數字化技術只適用于低頻信號），在轉換芯片內部集成的高速比較器數量約為2^N個（N為量化位數），量化位數每提高一位，需要集成的高速比較器數量就必須增大一倍，而比較器數量的增加將會引起門電路狀態翻轉電流的急劇上升，導致芯片功耗快速上升，同時翻轉電流的增大會在芯片內部引發新的電磁干擾，促使芯片輸出的本底噪聲上升，從而降低對小信號的處理能力。因此，當中、高頻模數轉換芯片量化位數從8位逐漸上升到16位之后，無論是從技術、成本或是從使用上分析，在商業領域都缺乏進一步前進的動力。

綜上所述近期國、內外都不可能在高于16位的單芯片高速模數轉換技術領域獲得較大突破，要解決中、高頻信號的大動態數字化轉換問題就必須致力于多芯片的應用創新研究。

發明內容

本發明的目的是設計一種大動態中高頻模擬信號數字化轉換電路，4塊相同的16位高速模數轉換芯片并聯進行高速采樣，四塊芯片采用完全對稱布局以產生磁場互補效應、抵消電磁干擾，降低輸出底噪和雜散。

本發明設計的大動態中高頻模擬信號數字化轉換電路包括時鐘源、時鐘分配單元、輸入信號匹配單元、模數轉換單元和數字信號合成處理單元，時鐘源連接的時鐘分配單元和輸入信號匹配單元接入模數轉換單元，模數轉換單元將模擬信號轉換為數字化信號，該數字化信號經數字信號合成處理單元合成降噪處理后輸出。本發明的有4個相同的模數轉換單元，各含有模數轉換芯片、統一的外置電壓參考源及其相互配合的阻容元器件，四塊模數轉換芯片為相同的高速16位模數轉換芯片，四塊模數轉換芯片并行采樣，并行完成模擬信號的高速數字化轉換，輸出4×16bit高速并行數字化信號。四塊模數轉換芯片2塊在電路板上、2塊在電路板下，上下對稱、左右對稱，電磁輻射區域重合。時鐘分配單元中含時鐘分配芯片及其相互配合的阻容元器件，時鐘分配芯片的時鐘信號線分別接入四塊模數轉換芯片，時鐘分配芯片控制接入各模數轉換芯片的差分時鐘信號的相位，上下相鄰和左右相鄰的模數轉換芯片的采樣時鐘相位均相差180度。在數字化轉換中相鄰的模數轉換芯片可以獲得差異化的雜散頻譜，為后續的數字信號合成處理提供降噪空間。

輸入信號匹配單元含有單端轉差分變壓器，完成輸入模擬信號單端到差分的轉換，同時與輸入信號源保持良好匹配，獲得最小的幅度失衡誤差和相位失衡誤差。模擬輸入信號接入單端轉差分變壓器，輸出的模擬差分信號線經阻抗匹配后分別接入四塊模數轉換芯片。