核電子學與核儀器-課件十四

核電子學與核儀器-課件十四上次課關鍵點一、用于幅度分析的模數變換器

模數變換方法的基本原理、變換系數與道寬二、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、線性放電型模數變換器

工作原理、參數調節(jié)與輔助電路、滑移標尺道寬均勻器本堂課主要內容四、逐次比較型模數變換器

4.1數模變換器

4.2逐次比較型模數變換器工作原理

4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題四、逐次比較型模數變換器

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

數模變換器把輸入的數碼(通常為二進制)變換成與此數碼成正比的模擬量。一個二進制數碼是按各位代碼組合起來表示的，每一位代碼有一定的權值。這就代表了一個具體的數值。因此，為了將數字量變換成模擬量，應將每一位代碼按權值變換成相應的模擬量。然后將各模擬量相加，其總和就是與數字量成正比的模擬量，從而完成數模變換。四、逐次比較型模數變換器4.1數模變換器模數變換器通常由基準電源、電阻解碼網絡和電子開關電路組成。基準電壓VR經過電阻網絡輸出，電阻網絡由電子開關電路控制，而電子開關又由數字輸入信號控制。因此輸出電流或電壓由數字輸入信號控制。四、逐次比較型模數變換器4.1數模變換器電阻解碼網絡可用各種方法構成。二進制權電阻解碼網絡數模變換器四、逐次比較型模數變換器4.1數模變換器

二進制加權電阻解碼網絡在位數越多時，電阻變化范圍越大。梯形電阻解碼網絡有較好的性能。電路中所用電阻值只有R和2R兩種，所以又稱R-2R電阻網絡，在數模變換器中得到廣泛應用。梯形電阻解碼網絡數模變換器四、逐次比較型模數變換器4.1數模變換器梯形電阻網絡的特點是任何一個節(jié)點的三個分支阻抗都相等(等于2R)。每個2R支路中的電流自左向右以1/2系數逐漸減小。四、逐次比較型模數變換器4.1數模變換器

數模變換器的主要技術指標有：（1）分辨率是數模變換器對微小輸入量變化的敏感程度的描述。通常用數字量的位數來表示。（2）精確度表示數模變換器加上一個給定的數字碼時，測量到的實際模擬輸出值和期望值之間的差值。（3）線性誤差表示數模變換器的實際傳輸特性曲線和理想響應直線之間的最大偏差。典型12位數模變換器集成芯片四、逐次比較型模數變換器4.2逐次比較型模數變換器工作原理用逐次比較方法進行模數變換是與疊加單道分析器方法相似。在疊加單道分析器中，各個標準電平是不變的，輸入信號進行一次比較就能得到全部的地址碼，因此有時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，但是在高道數時難于實現。如果用12個二進制位標準電平組成4096個標準電平，每一次比較為一個位標準電平，逐次進行比較，可構成4096道逐次比較型模數變換器。這種方法稱為逐次比較法或串行變換方法。四、逐次比較型模數變換器4.2逐次比較型模數變換器工作原理逐次比較型模數變換器利用二進制的標準電平與輸入信號比較。第一次比較時，取標準電平為滿量程的一半；若標準電平小于信號幅度，則標準電平保留下來，進行第二次比較。第二次比較的標準電平為保留的上次標準電平加滿量程的四分之一標準電平。若標準電平小于信號幅度，第二次比較的標準電平同樣保留下來，進行第三次比較。若標準電平大于信號幅度，則不保留該標準電平。依此類推，直到12個標準電平取出比較完才結束。四、逐次比較型模數變換器4.2逐次比較型模數變換器工作原理逐次比較型模數變換器，每次比較都將標準電平減小為前次的一半。若標準電平小于信號幅度，則被保留；若標準電平比信號幅度大，則不保留。最后停止比較時，所有保留下來的標準電平之和與被測信號幅度十分接近。逐次比較型模數變換器工作波形圖

如果輸入信號幅度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、逐次比較型模數變換器4.2逐次比較型模數變換器工作原理

逐次比較法的道寬就是地址碼最低位對應的DAC標準電平：VR0=1mV。如果每次比較的時間為T，比較次數為12次，則需要的比較時間為12T。對于不同幅度的輸入信號都要進行十二次比較，所以變換時間是固定的。逐次比較型模數變換器變換時間和道數的關系為：對多道逐次比較型模數變換器，目前變換時間可做到接近于1μs。這比線性放電型模數變換器要小得多。但是逐次比較型模數變換器的道寬一致性較差，主要由于標準電平很難維持精確的比例。四、逐次比較型模數變換器4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題

在線性放電型模數變換中影響道寬的參考標準只有一個。而在逐次比較型模數變換器中采用數模變換器輸出的多個獨立參考標準電平與輸入信號進行比較。不同輸入脈沖幅度是用不同的標準電壓或電流來測定的。由于各個參考標準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、逐次比較型模數變換器4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題在逐次比較型模數變換器中，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模變換器輸出標準電平的大小來決定的。數模變換器輸出的標準電平又是由各個參考標準電平相加而成。所以參考標準電平的不一致會嚴重影響道寬的一致性。四、逐次比較型模數變換器4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題通常把逐次比較型模數變換器的道寬分成兩類。一類是偶數道寬HiQ(i=0、2、4…)，其大小為VR0。另一類是奇數道寬HiP(i=1、3、5…)，其大小為上下邊界之差。道寬不一致性在奇數道寬處普遍存在，但以道址在二分之一總道數處最嚴重。道寬的不均勻性嚴重影響模數變換器的微分非線性，為此必須采用道寬均勻器。四、逐次比較型模數變換器4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題利用滑尺原理所作的移道法道寬均勻器：四、逐次比較型模數變換器4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題實際上，M不一定要取得很大，只要滿足道寬一致性要求就行。因此，如果在移動范圍內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的1/(M+1)。四、逐次比較型模數變換器4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題推廣到一般情況，則該式表明，第i道道寬的相對偏差減小了1/(M+1)倍。但是對于第i道的右邊第(i+1)道到第(i+M)道范圍內，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個道，在實際上決定這些道的道寬時，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“分攤”到(M+1)個道的道寬中去。四、逐次比較型模數變換器4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題逐次比較法模數變換器使用上述方法可以減小中間道道寬不一致帶來的誤差。當不只是一個道的道寬偏離正常值時，道寬均勻器仍然起各道道寬偏差的平均“分攤”作用。但是，若某一(M+1)道范圍內的道寬多數增大，則其平均值將明顯高于另一(M+1)道范圍內的平均道寬，移道法均勻器不能消除這個誤差。四、逐次比較型模數變換器4.3逐次比較型模數變換器的道寬均勻問題實現移道的方式分為連續(xù)移道和隨機移道兩種。連續(xù)移道的移道電平