核電子學(xué)與核儀器-課件十四

核電子學(xué)與核儀器-課件十四上次課關(guān)鍵點(diǎn)一、用于幅度分析的模數(shù)變換器

模數(shù)變換方法的基本原理、變換系數(shù)與道寬二、線性門與展寬器

線性門(常閉線性門與常開線性門)、模擬展寬器工作原理三、線性放電型模數(shù)變換器

工作原理、參數(shù)調(diào)節(jié)與輔助電路、滑移標(biāo)尺道寬均勻器本堂課主要內(nèi)容四、逐次比較型模數(shù)變換器

4.1數(shù)模變換器

4.2逐次比較型模數(shù)變換器工作原理

4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題四、逐次比較型模數(shù)變換器

由于近年來(lái)大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，逐次比較型模數(shù)變換器得到了較多的應(yīng)用。與線性放電型模數(shù)變換器比較，它有變換速度快、易于做成集成芯片、功耗低和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。下面先介紹逐次比較型模數(shù)變換電路中的一個(gè)重要部件------數(shù)模變換器。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.1數(shù)模變換器

數(shù)模變換器把輸入的數(shù)碼(通常為二進(jìn)制)變換成與此數(shù)碼成正比的模擬量。一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼是按各位代碼組合起來(lái)表示的，每一位代碼有一定的權(quán)值。這就代表了一個(gè)具體的數(shù)值。因此，為了將數(shù)字量變換成模擬量，應(yīng)將每一位代碼按權(quán)值變換成相應(yīng)的模擬量。然后將各模擬量相加，其總和就是與數(shù)字量成正比的模擬量，從而完成數(shù)模變換。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.1數(shù)模變換器模數(shù)變換器通常由基準(zhǔn)電源、電阻解碼網(wǎng)絡(luò)和電子開關(guān)電路組成?；鶞?zhǔn)電壓VR經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)輸出，電阻網(wǎng)絡(luò)由電子開關(guān)電路控制，而電子開關(guān)又由數(shù)字輸入信號(hào)控制。因此輸出電流或電壓由數(shù)字輸入信號(hào)控制。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.1數(shù)模變換器電阻解碼網(wǎng)絡(luò)可用各種方法構(gòu)成。二進(jìn)制權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)數(shù)模變換器四、逐次比較型模數(shù)變換器4.1數(shù)模變換器

二進(jìn)制加權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)在位數(shù)越多時(shí)，電阻變化范圍越大。梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)有較好的性能。電路中所用電阻值只有R和2R兩種，所以又稱R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)模變換器中得到廣泛應(yīng)用。梯形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)數(shù)模變換器四、逐次比較型模數(shù)變換器4.1數(shù)模變換器梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的三個(gè)分支阻抗都相等(等于2R)。每個(gè)2R支路中的電流自左向右以1/2系數(shù)逐漸減小。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.1數(shù)模變換器

數(shù)模變換器的主要技術(shù)指標(biāo)有：（1）分辨率是數(shù)模變換器對(duì)微小輸入量變化的敏感程度的描述。通常用數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。（2）精確度表示數(shù)模變換器加上一個(gè)給定的數(shù)字碼時(shí)，測(cè)量到的實(shí)際模擬輸出值和期望值之間的差值。（3）線性誤差表示數(shù)模變換器的實(shí)際傳輸特性曲線和理想響應(yīng)直線之間的最大偏差。典型12位數(shù)模變換器集成芯片四、逐次比較型模數(shù)變換器4.2逐次比較型模數(shù)變換器工作原理用逐次比較方法進(jìn)行模數(shù)變換是與疊加單道分析器方法相似。在疊加單道分析器中，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電平是不變的，輸入信號(hào)進(jìn)行一次比較就能得到全部的地址碼，因此有時(shí)也稱之為并行變換方法。顯然，并行變換方法是速度最快的變換方式，但是在高道數(shù)時(shí)難于實(shí)現(xiàn)。如果用12個(gè)二進(jìn)制位標(biāo)準(zhǔn)電平組成4096個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電平，每一次比較為一個(gè)位標(biāo)準(zhǔn)電平，逐次進(jìn)行比較，可構(gòu)成4096道逐次比較型模數(shù)變換器。這種方法稱為逐次比較法或串行變換方法。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.2逐次比較型模數(shù)變換器工作原理逐次比較型模數(shù)變換器利用二進(jìn)制的標(biāo)準(zhǔn)電平與輸入信號(hào)比較。第一次比較時(shí)，取標(biāo)準(zhǔn)電平為滿量程的一半；若標(biāo)準(zhǔn)電平小于信號(hào)幅度，則標(biāo)準(zhǔn)電平保留下來(lái)，進(jìn)行第二次比較。第二次比較的標(biāo)準(zhǔn)電平為保留的上次標(biāo)準(zhǔn)電平加滿量程的四分之一標(biāo)準(zhǔn)電平。若標(biāo)準(zhǔn)電平小于信號(hào)幅度，第二次比較的標(biāo)準(zhǔn)電平同樣保留下來(lái)，進(jìn)行第三次比較。若標(biāo)準(zhǔn)電平大于信號(hào)幅度，則不保留該標(biāo)準(zhǔn)電平。依此類推，直到12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電平取出比較完才結(jié)束。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.2逐次比較型模數(shù)變換器工作原理逐次比較型模數(shù)變換器，每次比較都將標(biāo)準(zhǔn)電平減小為前次的一半。若標(biāo)準(zhǔn)電平小于信號(hào)幅度，則被保留；若標(biāo)準(zhǔn)電平比信號(hào)幅度大，則不保留。最后停止比較時(shí)，所有保留下來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)電平之和與被測(cè)信號(hào)幅度十分接近。逐次比較型模數(shù)變換器工作波形圖

如果輸入信號(hào)幅度Vi=2457.6mV，則第一次比較：VR11=2048mV；保留；1第二次比較：VR10=1024mV(3072mV)；不保留；0第三次比較：VR9=512mV(2560mV)；不保留；0第四次比較：VR8=256mV(2304mV)；保留；1第五次比較：VR7=128mV(2432mV)；保留；1第六次比較：VR6=64mV(2496mV)；不保留；0第七次比較：VR5=32mV(2464mV)；不保留；0第八次比較：VR4=16mV(2448mV)；保留；1第九次比較：VR3=8mV(2456mV)；保留；1第十次比較：VR2=4mV(2460mV)；不保留；0第十一次比較：VR1=2mV(2458mV)；不保留；0第十二次比較：VR0=1mV(2457mV)；保留；1四、逐次比較型模數(shù)變換器4.2逐次比較型模數(shù)變換器工作原理

逐次比較法的道寬就是地址碼最低位對(duì)應(yīng)的DAC標(biāo)準(zhǔn)電平：VR0=1mV。如果每次比較的時(shí)間為T，比較次數(shù)為12次，則需要的比較時(shí)間為12T。對(duì)于不同幅度的輸入信號(hào)都要進(jìn)行十二次比較，所以變換時(shí)間是固定的。逐次比較型模數(shù)變換器變換時(shí)間和道數(shù)的關(guān)系為：對(duì)多道逐次比較型模數(shù)變換器，目前變換時(shí)間可做到接近于1μs。這比線性放電型模數(shù)變換器要小得多。但是逐次比較型模數(shù)變換器的道寬一致性較差，主要由于標(biāo)準(zhǔn)電平很難維持精確的比例。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題

在線性放電型模數(shù)變換中影響道寬的參考標(biāo)準(zhǔn)只有一個(gè)。而在逐次比較型模數(shù)變換器中采用數(shù)模變換器輸出的多個(gè)獨(dú)立參考標(biāo)準(zhǔn)電平與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。不同輸入脈沖幅度是用不同的標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流來(lái)測(cè)定的。由于各個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)電平很難維持精確比例，所以道寬一致性要比線性放電型差得多。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題在逐次比較型模數(shù)變換器中，任何一道的道寬是由該道的上下邊界電平之差決定的，而道的邊界電平是由數(shù)模變換器輸出標(biāo)準(zhǔn)電平的大小來(lái)決定的。數(shù)模變換器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電平又是由各個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)電平相加而成。所以參考標(biāo)準(zhǔn)電平的不一致會(huì)嚴(yán)重影響道寬的一致性。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題通常把逐次比較型模數(shù)變換器的道寬分成兩類。一類是偶數(shù)道寬HiQ(i=0、2、4…)，其大小為VR0。另一類是奇數(shù)道寬HiP(i=1、3、5…)，其大小為上下邊界之差。道寬不一致性在奇數(shù)道寬處普遍存在，但以道址在二分之一總道數(shù)處最嚴(yán)重。道寬的不均勻性嚴(yán)重影響模數(shù)變換器的微分非線性，為此必須采用道寬均勻器。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題利用滑尺原理所作的移道法道寬均勻器：四、逐次比較型模數(shù)變換器4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題實(shí)際上，M不一定要取得很大，只要滿足道寬一致性要求就行。因此，如果在移動(dòng)范圍內(nèi)只有某一道道寬偏離正常值，則移道法道寬均勻器使道寬偏離值減小到原來(lái)的1/(M+1)。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題推廣到一般情況，則該式表明，第i道道寬的相對(duì)偏差減小了1/(M+1)倍。但是對(duì)于第i道的右邊第(i+1)道到第(i+M)道范圍內(nèi)，各道道寬皆偏離了正常道寬H。這些為第i道參與分選的M個(gè)道，在實(shí)際上決定這些道的道寬時(shí)，包括了第i道的原始道寬，因此，道寬均勻器的作用是將其中一道道寬的偏離“分?jǐn)偂钡?M+1)個(gè)道的道寬中去。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題逐次比較法模數(shù)變換器使用上述方法可以減小中間道道寬不一致帶來(lái)的誤差。當(dāng)不只是一個(gè)道的道寬偏離正常值時(shí)，道寬均勻器仍然起各道道寬偏差的平均“分?jǐn)偂弊饔?。但是，若某?M+1)道范圍內(nèi)的道寬多數(shù)增大，則其平均值將明顯高于另一(M+1)道范圍內(nèi)的平均道寬，移道法均勻器不能消除這個(gè)誤差。四、逐次比較型模數(shù)變換器4.3逐次比較型模數(shù)變換器的道寬均勻問(wèn)題實(shí)現(xiàn)移道的方式分為連續(xù)移道和隨機(jī)移道兩種。連續(xù)移道的移道電平