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一种高精度 模数转换器

阅读：684发布：2024-02-25

专利汇可以提供一种高精度模数转换器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于电子电路技术领域，具体涉及到一种高精度模数转换器。本发明由依次连接的第二电压跟随器102和模数转换器104构成电压测量部分；依次连接的数模转换器103和第一电压跟随器101构成电压产生部分；由第一电阻 110、第二电阻111、第三电阻112、第四电阻113和运算放大器 115构成减法运算电路108；由第五电阻114与仪表放大器 116构成电压放大器109；减法运算电路108与电压放大器109构成剩余电压放电部分。本发明的有益效果为，能够实现20bit 分辨率，1MHZ 采样率，1LSB最大积分非线性，满量程转换误差小于1ppm，可以应用于6位半数字万用表，也可应用于对采样速度要求较高的高准确度数字采集器和高端仪器仪表。本发明尤其适用于高精度模数转换器。，下面是一种高精度模数转换器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高精度模数转换器，其特征在于，包括第一电压跟随器(101)、第二电压跟随器(102)、数模转换器(103)、模数转换器(104)、控制逻辑模块(105)、单刀双掷模拟开关(106)、第一电阻(110)、第二电阻(111)、第三电阻(112)、第四电阻(113)、第五电阻(114)、运算放大器(115)和仪表放大器(116)；数模转换器(103)和模数转换器(104)与控制逻辑模块(105)互连；模数转换器(104)的输入端接第二电压跟随器(102)的输出端和反向输入端；单刀双掷模拟开关(106)的控制端接控制逻辑模块(105)，开关(106)的动触头接第二电压跟随器(102)的正向输入端；数模转换器(103)的输出端接第一电压跟随器(101)的正向输入端；第一电压跟随器(101)的反向输入端与其输出端互连，其输出端通过第三电阻(112)后接运算放大器(115)的反向输入端；第三电阻(112)与运算放大器(115)反向输入端的连接点通过第四电阻(113)后接运算放大器(115)的输出端和仪表放大器(116)的正向输入端；运算放大器(115)的正向输入端通过第二电阻(111)后接地；运算放大器(115)的正向输入端与第二电阻(111)的连接点通过第一电阻(110)后接输入信号和控制模拟开关(106)的第一静触点；控制模拟开关(106)的第二静触点接仪表放大器(116)的输出端；仪表放大器(116)的电阻端口接入第五电阻(114)，其反向输入端接地。

说明书全文

一种高精度 模数转换器

技术领域

[0001] 本发明属于电子电路技术领域，具体涉及到一种高精度模数转换器。

背景技术

[0002] 随着半导体技术、数字信号处理技术以及测量技术的不断发展，模数转换器的产品数量飞速增长，产品类型不断丰富。模数转换器是模拟信号和数字信号的转换，是现代数字测量技术最基础和最重要的组成部分。从上个世纪50年代贝尔实验室设计出第一款模数转换器，到如今各种类型的模数转换器，也经历了由分立元件到大规模集成化的改变。

[0003] 而如今商用集成高分辨率模数转换器的精度水平限制其在许多精密计量场合中的使用，如微伏级电压测量、精密功率计量等。模数转换器的静态精度性能，通常用积分非线性(Integral Nonlinearity，INL)、微分非线性(Differential nonlinearity，DNL)、失调误差(Zero Error)、增益误差(Gain Error)来表征。上述参数均具有温度特性，随着温度的改变会相应改变。

[0004] 实际使用集成A/D转换器，失调误差和增益误差是容易校准的。而器件的非线性表现在不同温度下每个码值的不均匀性上，则高分辨率集成A/D需要建立基于每个码值在不同温度下的校准表来改善精度。如此大量的数据运算使得该方法是不可取的。因此改善线性度对于提高A/D转换器的精度性能具有重要意义。

[0005] 商用集成16bit、18bit分辨率A/D转换器通常基于逐次比较型结构，22bit、24bit分辨率A/D转换器通常基于sigma-delta型结构。例如：16bit分辨率AD7626，其LNL为1LSB；18bit分辨率AD7960，其LNL为0.8LSB；22bit分辨率AD7716，其LNL为20LSB；23-24bit分辨率ADS1675，其LNL为147LSB；24bit分辨率AD7760，其LNL为125LSB。可以得出：高分辨率的模数转换器，其线性度并不好。故商用集成高分辨率A/D转换器受其非线性的影响，其精确电压转换位数小于18bit。

[0006] 高精度电压测量需要高线性度的A/D转换器。传统6位半-8位半数字万用表中使用双斜式积分结构或多斜式积分结构，例如FLUKE公司的“70系列”数字万用表，Agilent公司的“3458A”数字万用表[2]。该种结构的模数转换器通常由积分器、比较器、精密电压或电流参考以及精密时钟参考组成，其基本原理是把电压转换为时间量进行测量。尽管它具有优异的精度性能，但是其采样率非常低，并且电路由大量使用分立元件构成，使得其具有设计难度大、制造成本高、体积庞大等缺陷。

发明内容

[0007] 本发明的目的，就是针对上述问题，提出一种20位高精度模数转换器。

[0008] 本发明的技术方案：如图1所示，一种高精度模数转换器，其特征在于，包括第一电压跟随器101、第二电压跟随器102、数模转换器103、模数转换器104、控制逻辑模块105、单刀双掷模拟开关106、第一电阻110、第二电阻111、第三电阻112、第四电阻113、第五电阻114、运算放大器115和仪表放大器116；数模转换器103和模数转换器104与控制逻辑模块105互连；模数转换器104的输入端接第二电压跟随器102的输出端和反向输入端；单刀双掷模拟开关106的控制端接控制逻辑模块105，开关106的动触头接第二电压跟随器102的正向输入端；数模转换器103的输出端接第一电压跟随器101的正向输入端；第一电压跟随器101的反向输入端与其输出端互连，其输出端通过第三电阻112后接运算放大器
115的反向输入端；第三电阻112与运算放大器115反向输入端的连接点通过第四电阻113后接运算放大器115的输出端和仪表放大器116的正向输入端；运算放大器115的正向输入端通过第二电阻111后接地；运算放大器115的正向输入端与第二电阻111的连接点通过第一电阻110后接输入信号和控制模拟开关106的第一静触点；控制模拟开关106的第二静触点接仪表放大器116的输出端；仪表放大器116的电阻端口接入第五电阻114，其反向输入端接地。

[0009] 本发明的有益效果为，本发明的模数转换器能够实现20bit分辨率，1MHZ采样率，1LSB最大积分非线性，满量程转换误差小于1ppm，可以应用于6位半数字万用表，也可应用于对采样速度要求较高的高准确度数字采集器和高端仪器仪表；还具有整体设计简化、成本降低、体积小、操作简单以及性能稳定的优点。
附图说明

[0010] 图1为本发明的模数转换器的结构示意图。

具体实施方式

[0011] 下面结合附图对本发明进行详细的描述

[0012] 如图1所示，本发明的高精度模数转换器，包括第一电压跟随器101、第二电压跟随器102、数模转换器103、模数转换器104、控制逻辑模块105、单刀双掷模拟开关106、第一电阻110、第二电阻111、第三电阻112、第四电阻113、第五电阻114、运算放大器115和仪表放大器116；数模转换器103和模数转换器104与控制逻辑模块105互连；模数转换器104的输入端接第二电压跟随器102的输出端和反向输入端；单刀双掷模拟开关106的控制端接控制逻辑模块105，开关106的动触头接第二电压跟随器102的正向输入端；数模转换器103的输出端接第一电压跟随器101的正向输入端；第一电压跟随器101的反向输入端与其输出端互连，其输出端通过第三电阻112后接运算放大器115的反向输入端；第三电阻
112与运算放大器115反向输入端的连接点通过第四电阻113后接运算放大器115的输出端和仪表放大器116的正向输入端；运算放大器115的正向输入端通过第二电阻111后接地；运算放大器115的正向输入端与第二电阻111的连接点通过第一电阻110后接输入信号和控制模拟开关106的第一静触点；控制模拟开关106的第二静触点接仪表放大器116的输出端；仪表放大器116的电阻端口接入第五电阻114，其反向输入端接地。

[0013] 其中，依次连接的第二电压跟随器102和模数转换器104构成电压测量部分；依次连接的数模转换器103和第一电压跟随器101构成电压产生部分；由第一电阻110、第二电阻111、第三电阻112、第四电阻113和运算放大器115构成减法运算电路108；由第五电阻114与仪表放大器116构成电压放大器109；减法运算电路108与电压放大器109构成剩余电压放电部分。

[0014] 控制逻辑105控制模拟开关106接入输入信号Vin(t)，模数转换器104评估输入信号量，控制逻辑105控制高精度模数转换器103产生与输入信号量近似的电压量Vda(t)。减法运算电路108将输入电压信号Vin(t)减去Vda(t)，差值电压经过电压放大器109放大g倍。控制逻辑105控制模拟开关106接入电压放大器109输出信号，模数转换器104测量剩余电压Vrs(t)，控制逻辑105计算模数转换器输出量为Vda(t)+Vrs(t)/g。

[0015] 本发明需要采用分辨率大于20bit、INL小于1LSB的商用集成数模转换器。其精度水平取决于数模转换器103的精度水平。在精度水平范围内，模数转换器的分辨率取决于仪表放大器116的放大倍数。

[0016] 本发明的工作原理为：

[0017] 数模转换器103生成一个与输入信号量大小近似的已知电压量Vda(t)，即输入电压与已知电压相差微小的电压值；使用减法运算电路108得到微小的电压差值，再对此微小电压放大g倍后得到电压Vrs(t)；使用模数转换器104再次进行测量，得到输入电压的转换结果为Vda(t)+Vrs(t)/g。其具体实施过程为如下：

[0018] 第一次电压测量：控制逻辑105控制模拟开关106导通输入信号Vin(t)，模数转换器104评估输入信号量，控制逻辑105控制高精度模数转换器103产生与输入信号量近似的电压量Vda(t)。当高精度模数转换器103选用一款20bit分辨率，INL小于1LSB，采样率大于1Mhz集成数模转换器时，例如ADI公司AD5791，则产生的电压量Vda(t)具有1ppm精度。

[0019] 第一次电压测量后且第二次电压测量前，减法运算电路108将输入电压信号Vin(t)减去Vda(t)，差值电压经过电压放大器109放大g倍输出。

[0020] 第二次电压测量：控制逻辑105控制模拟开关106导通电压放大器109输出信号，模数转换器104测量剩余电压Vrs(t)，控制逻辑105计算模数转换器输出量为Vda(t)+Vrs(t)/g。当Vrs(t)/g的精度小于20位模数转换器1LSB时，且电压量Vda(t)具有1ppm精度，则模数转换器积分非线性能够小于1LSB。

[0021] 需要实现20bit分辨率的模数转换器，且达到1ppm的满量程精度。例如量程为10V，要求转换器能够识别19uV电压，则输出量中的Vrs(t)/g项需要在模数转换器104的精度范围之内，且放大倍数g能够使得Vrs(t)/g精确到19uV。

[0022] 模数转换器104可以具有10位-16位有效精度位的集成转换器。当模数转换器104位数越低时，需要仪表放大器116的放大倍数越大。例如设计模数转换器104仅识别-3 3
10 量级的电压，则放大倍数g至少要为10 倍。

[0023] 转换器中使用的所有运算放大器均具有低噪声特性，典型噪声特性应该比整体精度水平小一个数量级，

[0024] 当仪表放大器119放大倍数g和高速104合理设计，且排除放大器噪声影响，那么模数转换器的精度由数模转换器103的精度决定，例如数模转换器103具有1LSB线性度，则模数转换器具有1LSB线性度。

[0025] 模数转换器采样率由模数转换器104的采样速度与数模转换器103的转换速度、模拟开关的开关速度中最大者决定。根据当今集成器件制造水平，高精度模数转换器103在20bit时最快能达到1Mhz，例如ADI公司AD5791，即本发明的采样速率最快能够达到1Mhz。为了实现1MHZ的采样率，本发明中的控制逻辑108工作时钟应该为采样率的1到2倍，因此ARM、FPGA、DSP可用作控制逻辑。

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