智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課件第四講 DA與AD轉(zhuǎn)換器

1、智能儀器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)_ 2/39la/d和d/a轉(zhuǎn)換器的工作需要等間隔定時(shí)進(jìn)行，采樣頻率為fsl為了避免出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，模擬輸入信號(hào)必須是帶限的，使其最高頻率分量小于fs/2la/d的過(guò)程包括采樣和量化兩個(gè)過(guò)程l模擬到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換使得信號(hào)特征信息的存儲(chǔ)、變換和傳輸變得容易l數(shù)字信號(hào)處理算法針對(duì)一個(gè)時(shí)間序列（離散數(shù)組）進(jìn)行（包括存儲(chǔ)和傳輸）l離散數(shù)組并不包含采樣頻率信息l在提取信號(hào)時(shí)間和頻率特征或者恢復(fù)信號(hào)時(shí)，采樣頻率必須正確給定第四講 d-a與a-d轉(zhuǎn)換器1、采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)成_ 3/39lvo具有0滿(mǎn)刻度值vfsv=(1-2-n)vref的2n個(gè)不同的值lmsb（b1）對(duì)vo的貢獻(xiàn)是vfsv/2，

2、而lsb（ bn ）則是vfsv/2n，稱(chēng)為分辨率lvfsv總是比vref短1lsbllsb為模擬電壓（或電流）d-a與a-d轉(zhuǎn)換器2、d/a的特性參數(shù)（1）1212( 22.2)norefirefnvvdvbbb_ 4/39ld/a的靜態(tài)誤差偏移誤差和增益誤差，絕對(duì)誤差為模擬電壓（或電流）l偏移誤差和增益誤差都表征線(xiàn)性誤差，可以通過(guò)y=ax+b來(lái)修正l主要的動(dòng)態(tài)參數(shù)為建立時(shí)間d-a與a-d轉(zhuǎn)換器2、d/a的特性參數(shù)（2）_ 5/39ld/a的偏移誤差和增益誤差被修正后，dac特性與理想特性存在非線(xiàn)性差異ldac實(shí)際特性包絡(luò)線(xiàn)與理想直線(xiàn)之間的最大偏差稱(chēng)為積分非線(xiàn)性（inl）l相鄰碼值之間的高度

3、差理想值為1lsb，偏離這個(gè)理想值的最大偏差稱(chēng)為微分非線(xiàn)性（dnl）l如果dnl-1lsb，傳遞特性變?yōu)榉菃握{(diào)，即碼值增大而模擬值vo下降d-a與a-d轉(zhuǎn)換器2、d/a的特性參數(shù)（3）k0inldnlkii_ 6/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器(1/2lsb)/3212fsrqnve 3、a/d的特性參數(shù)（1）1212reffsr22.2niionvvdbbbvv問(wèn)：輸入a/d的正弦信號(hào)的幅值多少時(shí)，信噪比最大，最大多少？max,snr=6.02 +1.76db2fsrimvvnl模擬輸入范圍被劃分為2n段，稱(chēng)為碼距，同一碼距內(nèi)的所有模擬量都被量化為同一碼值ladc無(wú)法分辨的同一個(gè)碼距內(nèi)的模擬量稱(chēng)為

4、量化誤差（1/2lsb=vfsr/2n+1）或量化噪聲l量化噪聲是一個(gè)類(lèi)似于鋸齒形的變量，它的有效值（rms）為_(kāi) 7/39l靜態(tài)線(xiàn)性誤差包括偏移誤差和增益誤差l靜態(tài)非線(xiàn)性誤差包括微分非線(xiàn)性（dnl）和積分非線(xiàn)性（inl）l如果dnl超過(guò)理想碼字間距1lsb，則輸出端會(huì)發(fā)生漏碼l主要的動(dòng)態(tài)參數(shù)為轉(zhuǎn)換時(shí)間d-a與a-d轉(zhuǎn)換器3、a/d的特性參數(shù)（2）dnl=1lsbinl=-1/2lsbk0inldnlkii_ 8/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器dac的實(shí)現(xiàn)原理加權(quán)電阻dac加權(quán)電容dac電位測(cè)定dac電流模式 r-2r 梯形 dac電壓模式 r-2r 梯形 dac電壓模式分段 dac電流模式分段 d

5、ac_ 9/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器加權(quán)電阻 dac)2.22()/(22110nnreffbbbvrrv特點(diǎn)：p概念簡(jiǎn)單p開(kāi)關(guān)自身非零電阻會(huì)對(duì)加權(quán)關(guān)系帶來(lái)干擾p指數(shù)規(guī)律的電流配置電阻在實(shí)現(xiàn)上比較困難p實(shí)際應(yīng)用中這種a/d分辨率限定在6bit以下p電阻失配會(huì)對(duì)差分非線(xiàn)性和單調(diào)性造成影響_ 10/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器加權(quán)電容 dac)2.22(22110nnrefbbbvv特點(diǎn)：pmos ic工藝中mosfet開(kāi)關(guān)和電容均為固有元件，有利于實(shí)現(xiàn)片上數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換p開(kāi)關(guān)自身非零電阻不會(huì)影響加權(quán)關(guān)系p控制電容下極板的方法，使得下極板對(duì)地寄生電容要么接地，要么接vref，不會(huì)影響有效電容的電荷分配p使用

6、mos工藝對(duì)電容比精度控制很容易達(dá)到0.1%，分別率適合n10p電容值的鋪開(kāi)范圍隨n呈指數(shù)規(guī)律增加仍然是主要缺點(diǎn)，工作原理：p復(fù)位周期：所有開(kāi)關(guān)接地，每個(gè)電容完全放電p采樣周期：sw0斷開(kāi)，而其余開(kāi)關(guān)或接地，或接至vref，決定于對(duì)應(yīng)輸入比特為0或1p按照電容分壓原理得到輸出電壓與二進(jìn)制碼值關(guān)系_ 11/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器電位測(cè)定 dac特點(diǎn)：p加權(quán)電阻和電容dac由于元件失配會(huì)影響單調(diào)性p利用2n個(gè)電阻組成電阻串將vref劃分為相等的2n段，從而實(shí)現(xiàn)固有的單調(diào)性p無(wú)論電阻失配情況如何都不會(huì)影響輸出電壓與碼值之間的單調(diào)性p最大電阻個(gè)數(shù)2n和開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù)2n+1-2將實(shí)際應(yīng)用中分辨率限制在n8

7、的范圍內(nèi)n=3, b1(msb),b3(lsb)；（碼值與開(kāi)關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖中“1”，“0”位置指示）_ 12/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器電流模式 r-2r 梯形 dac)2.22()/(22110nnreffbbbvrrv特點(diǎn)：p大部分dac結(jié)構(gòu)都以r-2r梯形為基礎(chǔ)p電阻的分散程度僅為2比1，所以r-2r梯形dac可以在單片情況下制造成高精度和高穩(wěn)定度dacp利用沉積工藝在氧化硅表面制造均勻介質(zhì)薄膜梯形電阻，然后利用精確激光微調(diào)技術(shù)制造n12的dacp每個(gè)開(kāi)關(guān)的切換都從”虛地”到”地”，電壓變化很小，不存在電荷注入問(wèn)題p高分辨率dac采用低失調(diào)電壓和漂移的運(yùn)放是關(guān)鍵_ 13/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換

8、器電壓模式 r-2r 梯形 dac特點(diǎn)：p2r電阻通過(guò)開(kāi)關(guān)在vl和vh之間切換，梯形電阻整列得到的電壓通過(guò)同向放大器輸出p輸入碼字從00到11遞增，變化步長(zhǎng)為( vh - vl )/2n，輸出電壓變化范圍從vl 到vh -( vh - vl )/2np這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)輸出電壓為任意兩個(gè)電壓之間的內(nèi)插，不要求它們中任一個(gè)為0_ 14/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器電壓模式分段 dac工作原理：p分辨率為16bits的電壓分段模式dacp16位碼值的最高四位（msbs）經(jīng)過(guò)解碼用于選擇sw1-sw16，從而得到16個(gè)電壓參考段中的一個(gè)p將選中的段的高低電壓通過(guò)跟隨緩沖和12位電壓模式r-2r梯形da

9、c獲得212=4096的更小分級(jí)，dac基準(zhǔn)電壓選擇vref/16p運(yùn)放的失調(diào)電壓引起的差分非線(xiàn)性對(duì)于高分辨率dac不可容忍，采用跳步法來(lái)消除其影響，即每個(gè)碼值增長(zhǎng)過(guò)渡處交替交換跟隨器（同時(shí)交換vh和vl以維持輸入極性）lic對(duì)元件的匹配能力限定了dac的分辨率在n12l精密儀器儀表、過(guò)程控制等需要更高分辨率及線(xiàn)性性能l實(shí)現(xiàn)高分辨率的重要瓶頸是實(shí)現(xiàn)單調(diào)性，為了保證單調(diào)性，要求元件的匹配必須優(yōu)于1/(2n-1)l高分辨率dac采用分段技術(shù)實(shí)現(xiàn)單調(diào)性，其主要思想是把基準(zhǔn)的范圍劃分成足夠多的相鄰段，然后用分辨率較低的dac對(duì)選中的段的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行內(nèi)插ad786416比特分段dac的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)_ 15

10、/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器電流模式分段 dac工作原理：p分辨率為16bits的電流分段模式dacp16位碼值的最高四位（msbs）經(jīng)過(guò)解碼用于選擇左側(cè)電阻建立的15個(gè)值為vref/r的電流段p其余電阻構(gòu)成一個(gè)普通12 bits r-2r dacp根據(jù)疊加法可得到輸出電壓與二進(jìn)制碼值的關(guān)系式p各個(gè)段的電阻象梯形電阻一樣僅需要12bits的精度就可保證16bits電平上的單調(diào)性16比特電流分段dac的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)12121234561612121216()(842222)()(222)foreffrefrvvbbbbbbbrrvbbbr _ 16/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器adc的實(shí)現(xiàn)原理逐次逼近型a

11、dc電荷重分配adc高速（flash）adc分步（subranging）adc流水線(xiàn)式（pipeline） adc積分型adc過(guò)采樣adc_ 17/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器基于dac的ad轉(zhuǎn)換器逐次逼近型adcvfsr=16v vi=10.8v 一般dac的ad轉(zhuǎn)換器原理示意圖12比特6us逐次逼近adc的實(shí)現(xiàn)工作原理和特點(diǎn)p核心是一個(gè)逐次逼近型的寄存器（sar）p從msb開(kāi)始，sar插入測(cè)試位1，通過(guò)比較器的輸出來(lái)判斷采用1或0p分辨率受限于dac的分辨率和線(xiàn)性以及比較器的增益4比特逐次逼近轉(zhuǎn)換時(shí)理想的dac輸出值_ 18/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器基于dac的轉(zhuǎn)換器電荷重分配adc)2.22

12、(2211nnrefipbbbvvv工作原理和特點(diǎn)p核心是一個(gè)加權(quán)電容dac和逐次逼近型的寄存器（sar），工作分3個(gè)周期p采樣周期: sw0接地，sw1-swn+1通過(guò)swi與輸入信號(hào)vi接通，最終使vp=vip保持周期: sw0斷開(kāi)，sw1-swn+1接地使得vp=-vip重分配周期: sw0斷開(kāi)， swi與參考信號(hào)vref接通， sw1-swn+1依次從地轉(zhuǎn)向vref。p當(dāng)某個(gè)開(kāi)關(guān)swk從地轉(zhuǎn)向vref會(huì)引起vp升高，增量為vref/2k,如果該增量使得比較器狀態(tài)發(fā)生改變，則swk回到接地，否則保持在vref處進(jìn)行下一個(gè)開(kāi)關(guān)的測(cè)試p加權(quán)電容dac造成adc的低分辨率_ 19/39d-a與

13、a-d轉(zhuǎn)換器高分辨率電荷重分配adc工作原理和特點(diǎn)p電荷重分配技術(shù)與電位測(cè)定技術(shù)結(jié)合p電阻串將基準(zhǔn)電壓分為2nh個(gè)單調(diào)電壓段p一個(gè)分辨率為nl的電荷重分配adc對(duì)單個(gè)電壓段進(jìn)行內(nèi)插_ 20/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器高速(flash)adc工作原理和特點(diǎn)p直接將輸入與分段的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果采用編碼器得到期望碼值p一個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成轉(zhuǎn)換，所以不可能再有比此更快的adcp用于高速場(chǎng)合，例如視頻和雷達(dá)信號(hào)處理p實(shí)現(xiàn)n位分辨率需要2n-1個(gè)比較器，比較器個(gè)數(shù)隨n呈指數(shù)增長(zhǎng)，限制了分辨率的提高_(dá) 21/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器分步adc 8bits分步adc（注意：dac必須是8bits精度

14、）n=8，nh=nl=4工作原理和特點(diǎn)p兩步轉(zhuǎn)換器，犧牲速度來(lái)提高adc的分辨率，也稱(chēng)為半高速adcp用一個(gè)分辨率為nh的粗糙高速adc對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行第一步轉(zhuǎn)換，得到nh位數(shù)字量，然后把生成的數(shù)字量通過(guò)一個(gè)n位的精確dac還原成模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)是輸入信號(hào)的一個(gè)粗糙的近似值p把原始信號(hào)與粗糙近似值之間的偏差通過(guò)余數(shù)放大器（ra）放大2nhv/v倍，然后輸入一個(gè)分辨率為nl位的精確高速adc，完成對(duì)n位碼的nl個(gè)最低有效位的量化pdac必須采用n位分辨率，其中n=nh+nl，采樣保持器（sha）維持模擬信號(hào)在兩步轉(zhuǎn)換中不變_ 22/39d-a與a-d轉(zhuǎn)換器積分型adc2nirefvnv工作原理和特點(diǎn)p自動(dòng)調(diào)零階段:sw1接地，sw2閉合構(gòu)成負(fù)反饋，積分器電容調(diào)零；caz對(duì)運(yùn)放失調(diào)提供補(bǔ)償p信號(hào)積分階段:sw1連接輸入vi，積分器工作2n個(gè)時(shí)鐘周期p去積分階