高速高精度模数转换系统设计

ＡＤ ｔ８ ６内部没 有集成 基 准 电压 源 ， 系统 需要 ｂ ３ Ｃ 本 使用 独立 参考 电压 源来 为本机 提供 参考 电压 。另
一
个 重要 指标 是 电压噪声 。
功能 ： 是在定 标 过 程 中接 收 和 存储 万 用 表 的读 一 数， 分析 电压数 据 ， 到高 精度模 拟信 号源 的定 标 得
系统 工 作 的前 提 是 转 换 系 统 中 ＡＤＣ， ＡＣ Ｄ
和运 放 都 采 用 线性 器 件 ： 于 运 放 而 言 ， 出 的 对 输
ｋ △ 的线 性 单 调 函数 ， 中 Ａ—Ｖｊ 是 其 一Ｖ 对 于 ；
ＡＤ 的 输 出 也 是 ｋ 的 线 性 单 调 函 数 ； 于 Ｃ 对 Ｄ ＡＣ， 与输入 数字量 也成 线性单 调关 系 。 Ｖ
的过 采 样 ∑一 △技 术 ， ］ 突破 了对 分 辨 率 的限 制 ， 可实 现直 到 ２ ４位高分 辨率 的模数 转换 。但 是 ， 由 于这 一技 术制 造工 艺 、 制 器 调制 和 数 字 滤波 的 调 限制 ， 使得 真正 达到 ２ Ｏ位 以上分 辨率 时 的转 换速
收稿 日期 ：２ １ ９Ｏ ０ 卜０ 一 ５
１ 高速高精度模数转换 系统结构原理
高速 高精 度 模 数 转 换 技 术 的 主 要 设 计 思 想
作者简 介：张丽杰（９ ４ ， ， １７ 一）女 汉族 ， 宁夏石嘴 山人 ， 夏理工学 院讲师 ， 士 ， 宁 硕 主要 从事 电路与 系统方 向研究 ， — ｉ ｄ ｋ ｌ Ｅ ｍａｌ ｗ ｚｊ ： ＠
器件 的改造 ， 实现 了 Ｓ ＯＣ控 制下 Ｌ位初 始值 到基
准模 拟 信 号 的转 换 ， 人 为初 始 Ｌ 位 的数 字 信 输 号 ， 出为 ０ 输 ～Ｖ 的基 准 模 拟 信 号 。基 于 降 低 误差 的考虑 ， 选用 了高 精 度 数字 万 用 表对 模 拟 信 号 的定 标 ， 证 高 精度 模 拟 信 号 源 至 少 有 ｒ＋ 保 ｎ 位 的精 度［ 。 ｇ ］
为提 供稳 定 的基 准 电压输 出 ， 基 准 Байду номын сангаас 片 的 在
输入 、 出端及 ＡＤ 输 Ｃ和 Ｄ ＡＣ参 考 电压 的输 入 端
５Ｏ ９
长 春 工 业 大 学 学 报（ 自然科 学 版 ）
第３ ２卷
采 用 电容 旁 路技 术 。通 常 采用 ０ １ｐ ． Ｆ的 陶瓷 电
容 ， 可能 短 的 路径 连 接 Ｒ Ｆ和 Ｒ Ｆ 这 样 就 尽 Ｅ Ｅ 一，
１ １ 系统 结 构 ．
关系， Ｓ 为 ＯＣ提 取 定 标 算 法ｌ ； 是 在 校 准 过程 ＿ 二 ８ 中获 得转 换 系统 的实 际转换 数 据 ， 到 修 正 数据 得
的压 缩和 解压缩 规律 ， Ｓ Ｃ提取 压缩 和解 压缩 为 Ｏ
算法 。 掉 电保护存 储器 作为压 缩后 修正 值 的存 储 区
善Ｓ 日 Ｏ Ｃ
图 １ 高 速 高 精度 模 数 转 换 系统 原 理 结 构 图
模拟 信 号 对 转 换 系统 进 行 校 准 ， 得 修 正 值 ； 获 最 后 ， 取 已存 储 的修正值 ， 成转换 结果 。 读 合 系统 中高 精 度 模 拟 信 号 源 主 要 是 基 于 Ｓ Ｃ Ｏ
机数 据交 换 系统作 为辅 助 分析 系统 ， 两 方 面 的 有
高速 高精 度模 数转换 系统 中， 为确保 １ 位 的 ６ ＡＤ Ｃ和 Ｄ ＡＣ的精 度 ， 准 电 压 的温 度 系 数 应 小 基
１
于 ／ １ ℃）一 １ （０ ．５× １ ／ １ ℃） 由 于 ０ （ 。
厶
０ 引 言
由于结 构 工 艺 的 限制［ ， 统 的模 数 转 换 技 １传 ］ 术虽 然具有 较 高 的转 换 速度 ， 实 现 高 频信 号 的 可 测量 ， 很难 达 到 １ 但 ６位 以上 的高分 辨 率 ， 实现 大 动态 范 围及 微 弱 信号 的检 测 。９ ０年 代 发 展 起 来
校 准 系统 由高精度 模拟 信号 源 、 用表 系统 、 万 Ｐ Ｃ机 数据 交换 系 统 组 成 。存 储 系统 由掉 电保 护 的存储 器构 成 。各 系统 的主 要功 能如下 ： 转换系统主要 由高速 的中等精 度 的 Ｄ ＡＣ、 Ａ ＤＣ、 号 放 大 驱 动 电路 组 成 ［ ， 要 功 能 是 实 信 ６主 ］ 现模拟 信号 的转换 。 Ｓ ＯＣ控 制 系统 有两 方 面 的作 用 ： 是 在转 换 一 系统 中控制 ＡＤ Ｃ进行 模 数转 换 ， 整 ＤＡ 调 Ｃ输 出 的反馈 电压 、 合成 转换结 果 ， 并从外 部存储 器 读取 解 压缩后 的修正 值 ； 是 在 校 准 系统 中控 制 高 二 精 度音频 ＤＡＣ产 生基 准 模 拟信 号 、 获得 修 正 值 ， 并 将海 量 的 修 正值 经 数 据 压 缩 后 存 储 到 存 储 系
ｓ ｓ ｅ ｄ ｓｇ ｙ ｔ ｍ ｅ ｉ ｎ
ＺＨＡＮＧ － ｅ Ｌｉｉ ｊ
（ ａ ｔｃ ａ ｈ ｎ ｎ ｅ ，Ｎｉ ｇ ｉ ｎ ｔ ｕ ｅ ｏ ｃ ｅ ｃ ｎ ｃ ｎｏ ｏ ｙ，Ｙｉ ｃ ａ ５ ０ ０，Ｃｈ ｎ ） Ｐｒ ｃ ｉｅ Ｔｅ ｃ ｉ ｇ Ｃｅ ｔ ｒ ｎ ｘ ａ Ｉ ｓ ｉ ｔ ｆＳ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ｔ ｎ ｈｕ ｎ ７ ３ ０ ｉａ
系统 工作过 程包 括定标 过程 、 校准 过程 、 转换
Ｓ Ｃ控制 系 统 组 成 。高 速 高 精 度 模 数 转 换 系 统 Ｏ
原理 结构 如 图 １所示 。
过程 和修正 过 程 。首 先 ， 高精 度 模 拟信 号 源 进 对 行定标 ； 后 ， 用高精 度模 拟信号 源输 出 的基准 然 利
换 的关键 。
高精 度模 拟信 号源 由 Ｓ Ｃ控 制 高精 度 ＤＡ Ｏ Ｃ 产 生模拟 信号 ， 调 理 到转 换 系 统 的模 拟 输 入 电 并 压范围， 得到 高精度 基准模 拟信 号 。 万用 表 系统是对 高精 度模 拟信 号源产 生 的高 精度 基准 模拟 信号 进 行 定 标 ， 证 和保 证 基 准 模 验 拟信 号在 模 拟 输 入 范 围 内的 分 辨 率 和 精 度 。Ｐ Ｃ
域， 正常转 换 时提供解 压缩 的修 正值 。
１ ２ 系统 工 作 原 理 ．
根据 高速 高精 度 模 数 转换 技 术 的设计 思 想 ， 文 中设计 了高 速高精 度模 数转换 系统 。高 速高 精 度模 数转 换系 统包 括 转 换 控制 系统 、 准 系 统 和 校
存储 系统 ３大部 分 。转 换控 制 系 统 由转 换 系统 、
度 只有几 赫兹 至 几 十赫 兹 ， 然 可 进 行 大动 态 范 虽
围及微 弱信号 的检测 ， 只能 用 于 低 频信 号 的测 但
量 ］ 。为 了满 足高频 大动态 范 围信号 及高 频小 信 号 的测量 ， 中提 出了 高 速高 精 度 模 数转 换 的方 文 法， 设计 了高 速高精 度 的模数 转换 系统 ， 实现 了可 达到 ２ Ｏ位 以上分 辨 率 几 十千 赫 兹 高 转 换速 度 的 模 数转 换技 术 。
１ ６ｃｒ． ２． ｏ ｎ
第 ６期
张 丽 杰 ： 速 高 精 度 模 数 转 换 系 统 设 计 高
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为 ： Ｓ Ｃ的控制 下 ， 在 Ｏ 利用 高速 中等精 度 的 ＡＤ Ｃ 和Ｄ ＡＣ， 输入 模 拟信 号 经 过 Ｄ 将 ＡＣ反 馈 调 节 放 大后 输 入 到 ＡＤ 中 进 行 模 数 转 换 ， 而 得 到 Ｃ 从 ＡＤ Ｃ和 ＤＡＣ共 同作 用 的 复合 转 换 结果 ［ ； 用 ４ 利 校 准系统 对转 换结 果 进 行 校 准 ， 到修 正 值 来 修 得 正转 换结 果 ， 而得 到高精 度 的转换 结果 ＿ 。 进 ５ ］
Ｖｏ ． ２ ＮＯ ６ １３ ．
Ｄｅ ． Ｏ１１ ｃ２
高速 高 精 度模 数 转 换 系 统设 计
张 丽 杰
（ 夏 理 工 学 院 实 践 教 学 中心 ， 夏 银 川 ７ ３ ０ ） 宁 宁 ５０ ０
摘 要 ：基于 现代微处 理器 技术 、 集成 电路 技术 ， 利用 高速 中等精度 的转换器 件 设计 了高速 高 精度模 数 转换 系统 ， 综合 误 差分析 、 数据处 理 等理论 ， 索利 用现 有 器件 实 现 高速 高 精度 模 数 探
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｄｅ ｎ ｍｉ ｒ ｐ ｏｃ ｓ ｏ ｅ ｈｎ ｌ ｇ ｎｄ ｉ ｅ ａ ｅ ｉｃ ｔ ｔ ｃ ｏｌ ｇｙ，ａ ｈｉ — ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｍｏ ｒ ｃ ｏ ｒ ｅ ｓ ｒ ｔ ｃ ｏ ｏ ｙ ａ ｎｔ ｇｒ ｔ ｄ ｃ ｒ ｕｉ ｅ ｈｎ ｏ ｇｈ ｓ ｅ ｎ ｉ — ｅ ｉ ｉ ｎ ｃ ｖ ｒ ｉ ｎ ｓ ｓ ｅ ｉ ｓ ｇ ｄ ｗｉｈ ｔ ｄ ｕ ａ ｃ ａ ｙ ｃ ｎｖ ｒ ｉ ｎ ｄｅ ｃ ｓ ｐｅ ｄ ａ ｄ ｈ ｇｈ ｐｒ ｃ ｓｏ ｏｎ ｅ ｓｏ ｙ ｔ ｍ ｓｄｅ ｉ ｎｅ ｔ ｈｅ ｍｅ ｉ ｍ— ｃ ｕｒ ｃ ｏ ｅ ｓｏ ｖｉｅ ． Ｗ ｉｈ ｂ ｔ ｈｅ ｒ ｏ ａ ｌ ｓ ｓ ｎｄ ｄ ｔ ｏ ｅ ｓｎ ｔ ｏ ｙ，ｗｅ ｉｃ ｓ ｔ ｅ ａ ａ ｓ ｍｐｌｎｇ ｅ ｈ ｌ ｙ ｔ ｏ ｈ ｔ ｅ ｒ ｒ ｎａ ｙ ｉ ａ ａ ａ ｐｒ ｃ ｓ ｉ ｇ ｈｅ ｒ ｄ ｓ ｕ ｓ ｈ ｄ ｔ ａ ｉ ｔ ｃ ｎｏ ｏｇ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈｅ ｃ ｒ ｎ ． ａ ｅ ｎ ｔ ｕｒ ｅ ｔ Ｋｅｙ ｗｏ ｄ ｒ ｓ：ａ ａ ｏｇ ｔ — ｉ ｉａ ｏ ｅ ｓ ｏ ｎ ｌ — ｏ ｄ ｇ ｔ ｌｃ ｎｖ ｒ ｉ ｎ；ｒ ｓ ｕ ｉ ｎ；ａ ｃ ａ ｙ；ｃ ｖ ｒ ｉｎ ａ ｅ；ｄ ｔ ｏ ｐ ｅ ｓ ｅ ｏｌ ｔｏ ｃ ｕｒ ｃ ｏｎ ｅ ｓｏ ｒ ｔ ａａ ｃ ｍ ｒ ｓ ．
因而 要选 择高 速宽带 宽 的运放 。低 噪声选 择低失
调 电压／ 电流及 相应 的小 温度 系数 ， 应具 有极低 还 的电压 噪声密 度和 电流 噪声密 度 。避 免 负荷效应
转换 的数据 采集技 术 。
关 键词 ： 数 转换 ；分辨 率 ；精度 ；转换 速度 ；数据压 缩 模 中图分 类号 ： Ｐ ７ Ｔ ２３ 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编号 ： ６ ４１ ７ （ ０ １ ０ —５ ８０ １ ７ －３ ４ ２ １ ） ６０ ８ —４
Ｈｉｈ ｓ ｅ ｄ ｈｇ — ｒ ｃｉｉｎ ａｎ ｌ ｇ－ ｇｉ ｌｃ ｎ ｅｒ ｉｎ ｇ － ｐ ｅ ｉｈ— ｅ ｓｏ ａ ｏ － ｐ ｄｉ ｔ ｏ ｖ ｓｏ ａ
统。
２ 转 换 系 统 设计
高 速高 精度模 数转换 系 统在外 部控 制器 的控
制下完成 模 数 转换 。转换 系统 主 要 由基 准 电 源 、 ＡＤＣ转换 电路 、 ＡＣ反馈 电路 、 大驱 动 电路 构 Ｄ 放
成。 ２ １ 基 准 电 源 的 设 计 ．
基 准 电压 源 提 供 的基 准 电压 ， 其精 度 及 稳 定 性 直接影 响 到转换 器 的精 度 和误差 的产 生 ， 因此 ， 选 用高精 度 、 低温 漂 的基 准 电源 是 实 现高 精 度 转
第３卷 第６ ２ 期
２１ ０ １年 １ ２月
长 春 工 业 大 学 学 报（ 自然 科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＣ ａ ｇ ｈ ｎ Ｕｎｖ ｒｉｙｏ ｃ ｎ ｌｇ （ ｔ ｒｌ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｏ ｒ ａ ｈ ｎ ｃ ｕ ｉｅ ｓｔ ｆＴｅｈ ｏｏ ｙ Ｎａｕ ａ ｉｎ ｅＥ ｉｏ ） ｏ Ｓ ｉ