核电子学与核仪器-课件14

核电子学与核仪器覃国秀[e-mail]:13807947408核技术教研室2009/05/19上次课关键点一、用于幅度分析的模数变换器模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽二、线性门与展宽器线性门(常闭线性门与常开线性门)、模拟展宽器工作原理三、线性放电型模数变换器工作原理、参数调节与辅助电路、滑移标尺道宽均匀器本堂课主要内容四、逐次比较型模数变换器4.1数模变换器4.2逐次比较型模数变换器工作原理4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题四、逐次比较型模数变换器由于近年来大规模集成电路的迅速发展，逐次比较型模数变换器得到了较多的应用。与线性放电型模数变换器比较，它有变换速度快、易于做成集成芯片、功耗低和价格便宜等优点。下面先介绍逐次比较型模数变换电路中的一个重要部件------数模变换器。四、逐次比较型模数变换器4.1数模变换器数模变换器把输入的数码(通常为二进制)变换成与此数码成正比的模拟量。一个二进制数码是按各位代码组合起来表示的，每一位代码有一定的权值。这就代表了一个具体的数值。因此，为了将数字量变换成模拟量，应将每一位代码按权值变换成相应的模拟量。然后将各模拟量相加，其总和就是与数字量成正比的模拟量，从而完成数模变换。四、逐次比较型模数变换器4.1数模变换器模数变换器通常由基准电源、电阻解码网络和电子开关电路组成。基准电压VR经过电阻网络输出，电阻网络由电子开关电路控制，而电子开关又由数字输入信号控制。因此输出电流或电压由数字输入信号控制。四、逐次比较型模数变换器4.1数模变换器电阻解码网络可用各种方法构成。二进制权电阻解码网络数模变换器0101111222iiIIIIk四、逐次比较型模数变换器4.1数模变换器二进制加权电阻解码网络在位数越多时，电阻变化范围越大。梯形电阻解码网络有较好的性能。电路中所用电阻值只有R和2R两种，所以又称R-2R电阻网络，在数模变换器中得到广泛应用。梯形电阻解码网络数模变换器四、逐次比较型模数变换器4.1数模变换器梯形电阻网络的特点是任何一个节点的三个分支阻抗都相等(等于2R)。每个2R支路中的电流自左向右以1/2系数逐渐减小。0102121212RVIRIIII101122nnnIII四、逐次比较型模数变换器4.1数模变换器数模变换器的主要技术指标有：（1）分辨率是数模变换器对微小输入量变化的敏感程度的描述。通常用数字量的位数来表示。（2）精确度表示数模变换器加上一个给定的数字码时，测量到的实际模拟输出值和期望值之间的差值。（3）线性误差表示数模变换器的实际传输特性曲线和理想响应直线之间的最大偏差。典型12位数模变换器集成芯片四、逐次比较型模数变换器4.2逐次比较型模数变换器工作原理用逐次比较方法进行模数变换是与叠加单道分析器方法相似。在叠加单道分析器中，各个标准电平是不变的，输入信号进行一次比较就能得到全部的地址码，因此有时也称之为并行变换方法。显然，并行变换方法是速度最快的变换方式，但是在高道数时难于实现。如果用12个二进制位标准电平组成4096个标准电平，每一次比较为一个位标准电平，逐次进行比较，可构成4096道逐次比较型模数变换器。这种方法称为逐次比较法或串行变换方法。四、逐次比较型模数变换器4.2逐次比较型模数变换器工作原理逐次比较型模数变换器利用二进制的标准电平与输入信号比较。第一次比较时，取标准电平为满量程的一半；若标准电平小于信号幅度，则标准电平保留下来，进行第二次比较。第二次比较的标准电平为保留的上次标准电平加满量程的四分之一标准电平。若标准电平小于信号幅度，第二次比较的标准电平同样保留下来，进行第三次比较。若标准电平大于信号幅度，则不保留该标准电平。依此类推，直到12个标准电平取出比较完才结束。四、逐次比较型模数变换器4.2逐次比较型模数变换器工作原理逐次比较型模数变换器，每次比较都将标准电平减小为前次的一半。若标准电平小于信号幅度，则被保留；若标准电平比信号幅度大，则不保留。最后停止比较时，所有保留下来的标准电平之和与被测信号幅度十分接近。逐次比较型模数变换器工作波形图如果输入信号幅度Vi=2457.6mV，则第一次比较：VR11=2048mV；保留；1第二次比较：VR10=1024mV(3072mV)；不保留；0第三次比较：VR9=512mV(2560mV)；不保留；0第四次比较：VR8=256mV(2304mV)；保留；1第五次比较：VR7=128mV(2432mV)；保留；1第六次比较：VR6=64mV(2496mV)；不保留；0第七次比较：VR5=32mV(2464mV)；不保留；0第八次比较：VR4=16mV(2448mV)；保留；1第九次比较：VR3=8mV(2456mV)；保留；1第十次比较：VR2=4mV(2460mV)；不保留；0第十一次比较：VR1=2mV(2458mV)；不保留；0第十二次比较：VR0=1mV(2457mV)；保留；1四、逐次比较型模数变换器4.2逐次比较型模数变换器工作原理逐次比较法的道宽就是地址码最低位对应的DAC标准电平：VR0=1mV。如果每次比较的时间为T，比较次数为12次，则需要的比较时间为12T。对于不同幅度的输入信号都要进行十二次比较，所以变换时间是固定的。逐次比较型模数变换器变换时间和道数的关系为：2logtTm对多道逐次比较型模数变换器，目前变换时间可做到接近于1μs。这比线性放电型模数变换器要小得多。但是逐次比较型模数变换器的道宽一致性较差，主要由于标准电平很难维持精确的比例。四、逐次比较型模数变换器4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题在线性放电型模数变换中影响道宽的参考标准只有一个。而在逐次比较型模数变换器中采用数模变换器输出的多个独立参考标准电平与输入信号进行比较。不同输入脉冲幅度是用不同的标准电压或电流来测定的。由于各个参考标准电平很难维持精确比例，所以道宽一致性要比线性放电型差得多。四、逐次比较型模数变换器4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题在逐次比较型模数变换器中，任何一道的道宽是由该道的上下边界电平之差决定的，而道的边界电平是由数模变换器输出标准电平的大小来决定的。数模变换器输出的标准电平又是由各个参考标准电平相加而成。所以参考标准电平的不一致会严重影响道宽的一致性。102047110RRiiHVV10102046001RiRiRiiHVVV四、逐次比较型模数变换器4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题通常把逐次比较型模数变换器的道宽分成两类。一类是偶数道宽HiQ(i=0、2、4…)，其大小为VR0。另一类是奇数道宽HiP(i=1、3、5…)，其大小为上下边界之差。道宽不一致性在奇数道宽处普遍存在，但以道址在二分之一总道数处最严重。道宽的不均匀性严重影响模数变换器的微分非线性，为此必须采用道宽均匀器。四、逐次比较型模数变换器4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题利用滑尺原理所作的移道法道宽均匀器：0()()1MmeffHimHiM四、逐次比较型模数变换器4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题实际上，M不一定要取得很大，只要满足道宽一致性要求就行。(2047)0.3%effHHH因此，如果在移动范围内只有某一道道宽偏离正常值，则移道法道宽均匀器使道宽偏离值减小到原来的1/(M+1)。四、逐次比较型模数变换器4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题推广到一般情况，则()11effHiHM该式表明，第i道道宽的相对偏差减小了1/(M+1)倍。但是对于第i道的右边第(i+1)道到第(i+M)道范围内，各道道宽皆偏离了正常道宽H。这些为第i道参与分选的M个道，在实际上决定这些道的道宽时，包括了第i道的原始道宽，因此，道宽均匀器的作用是将其中一道道宽的偏离“分摊”到(M+1)个道的道宽中去。四、逐次比较型模数变换器4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题逐次比较法模数变换器使用上述方法可以减小中间道道宽不一致带来的误差。当不只是一个道的道宽偏离正常值时，道宽均匀器仍然起各道道宽偏差的平均“分摊”作用。但是，若某一(M+1)道范围内的道宽多数增大，则其平均值将明显高于另一(M+1)道范围内的平均道宽，移道法均匀器不能消除这个误差。四、逐次比较型模数变换器4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题实现移道的方式分为连续移道和随机移道两种。连续移道的移道电平是每输入一个脉冲增大一个道宽。连续增加下去，直到移道电平等于M个道宽。然后降到0再周期重复。连续移道电平是周期性连续变化的，但对某一道输入脉冲来说在它输入时可能遇到多大的移到电平却是随机的。所以不一定要采用连续移道法，只要保持移道电平的变化范围一定，各种移道电平都出现相同的次数，则移道电平也可以用随机方式改变。四、逐次比较型模数变换器用随机移道法道宽均匀器的逐次模数变换器原理图总结