一种使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的装置及方法 |
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| 申请号 | CN201810921703.6 | 申请日 | 2018-08-14 | 公开(公告)号 | CN108768401B | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 西安安森智能仪器股份有限公司; | 发明人 | 杨朋; 王士兴; 李晶; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种使用低 分辨率 DAC合成高分辨率DAC的装置及方法，包括低分辨率 数模转换 器组、R‑2R 电阻 网络和 电流 电压 转换 电路 ；低分辨率 数模转换器 组的每个低分辨率DAC的输入连接至 数据总线 ；低分辨率数模转换器组的输出连接至R‑2R电阻网络的输入，R‑2R电阻网络为低分辨率数模转换器组提供相应的权值；R‑2R电阻网络2的输出连接至电流电压转换电路的输入。本发明能够将目前市场上存在的任意分辨率DAC的分辨率进行提高，且具有分辨率高、线性度优、易于构造、无需频繁校准的优点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的方法，其特征在于，包括低分辨率数模转换器组(1)、R‑2R电阻网络(2)和电流电压转换电路(3)；所述低分辨率数模转换器组(1)由多个低分辨率DAC并联组成；所述低分辨率数模转换器组(1)的每个低分辨率DAC的输入连接至数据总线；所述低分辨率数模转换器组(1)的输出连接至R‑2R电阻网络(2)的输入，R‑ |
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| 说明书全文 | 一种使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的装置及方法技术领域背景技术[0002] 目前，市场上存在的数模转换器(DAC)的分辨率有8、10、11、12、14、16位或其他低位数，对于一些有较高要求的应用场合，有时需要高于16位分辨率的DAC，例如精密仪器、校准仪表、医疗产品、音乐播放器等领域。 [0003] 高分辨率数模转换器一般用于提供可控精密电压，查阅文献可知，目前20位DAC的实现方案多采用由两个16位DAC组成32位，但是为了保证所有条件下的回环捕获和稳定的1ppm漂移误差，选取32位中最好的20位，经过运放输出模拟电压信号，反馈回路采用24位ADC采集电压信号，进行补偿，修正误差，该方法具有反馈回路补偿，比较复杂，且需要频繁的校准。还有一些20位甚至23位以上(0.1ppm/℃)的DAC由手动开关式开尔文‑华莱分压器来提供，但其体积庞大、价格昂贵、速度极为缓慢，局限于标准实验室应用。基于以上描述，设计开发一种易于构造，且无需频繁校准的高分辨率实用型DAC具有非常高的应用价值。 发明内容[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的装置及方法。 [0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： [0006] 本发明首先提出一种使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的装置：包括低分辨率数模转换器组、R‑2R电阻网络和电流电压转换电路；所述低分辨率数模转换器组由多个低分辨率DAC并联组成；所述低分辨率数模转换器组的每个低分辨率DAC的输入连接至数据总线；所述低分辨率数模转换器组的输出连接至R‑2R电阻网络的输入，R‑2R电阻网络为低分辨率数模转换器组提供相应的权值；R‑2R电阻网络2的输出连接至电流电压转换电路的输入，电流电压转换电路对R‑2R电阻网络的输出电流进行求和并转换为电压信号。 [0007] 进一步，上述低分辨率数模转换器组1由n个相同的低分辨率DAC并联组成：分别为DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn，其中n为自然数。 [0008] 进一步，上述n个相同的低分辨率DAC为8位、10位、11位、12位、14位或者16位DAC。 [0009] 本发明还提出一种基于上述装置的使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的方法：将低位数数字量输入至数据总线，由数据总线分别输入至组成低分辨率数模转换器组1的n个DAC的输入端；由R‑2R电阻网络2为低分辨率数模转换器组1的n个DAC提供相应的权值，其中0 n 1 n 2 n (n‑1) n DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn分别对应的权值为2/2、2/2 、2/2、…、2 /2；然后电流电压转换电路3对R‑2R电阻网络2的输出电流进行求和并转换为电压信号；所述低分辨率数模转换器组1的n个DAC输出经过R‑2R电阻网络2以及电流电压转换电路3后的输出Vout为： [0010] Vout＝20/2n*VDAC1+21/2n*VDAC2+22/2n*VDAC3+…+2(n‑1)/2n*VDACn； [0011] 其中，VDAC1、VDAC2、VDAC3、…、VDACn分别表示DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输出。 [0012] 进一步的，以上低分辨DAC的位数为N，低分辨率数模转换器组1的DAC个数为n，则通过对低分辨率数模转换器组1的DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输入进行编码，编码后的输入经过低分辨率数模转换器组、R‑2R电阻网络、以及电流电压转换电路后，得到高分辨率DAC输出，最终由低分辨率DAC合成的高分辨DAC的位数为N+n位。 [0013] 进一步的，以上对低分辨率数模转换器组1的DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输入进行编码的编码规则为表1： [0014] 表1：低分辨率DAC合成高分辨率DAC编码表 [0015] [0016] [0017] 表1中： [0018] (1LSB)N指低分辨率数模转换器组中的DAC所能分辨的最小电压； [0019] (2LSB)N表示2个(1LSB)N，(kLSB)N表示k个(1LSB)N，k为2N‑1，1、2、…、k是低分辨率数模转换器组1的DAC的输入值。 [0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0021] 本发明提出了一种使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的装置方法，与现有的DAC相比较，本发明将低分辨率DAC合成高分辨率DAC编码表对低分辨率数模转换器组的DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输入进行编码，编码后的输入经过低分辨率数模转换器组、然后再经过R‑2R电阻网络和电流电压转换电路进行加权求和后，就可以得到高分辨率DAC输出，本发明能够将目前市场上存在的任意分辨率DAC的分辨率进行提高，且具有分辨率高、线性度优、易于构造、无需频繁校准的优点。附图说明 [0022] 图1为本发明的原理示意图。 [0023] 其中：1为低分辨率数模转换器组；2为R‑2R电阻网络；3为电流电压转换电路。 具体实施方式[0024] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述： [0025] 参见图1：本发明使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的装置：包括低分辨率数模转换器组1、R‑2R电阻网络2和电流电压转换电路3。其中低分辨率数模转换器组1由多个低分辨率DAC并联组成；该低分辨率数模转换器组1的每个低分辨率DAC的输入连接至数据总线。低分辨率数模转换器组1的输出连接至R‑2R电阻网络2的输入，R‑2R电阻网络2为低分辨率数模转换器组2提供相应的权值。该R‑2R电阻网络2的输出连接至电流电压转换电路3的输入，该电流电压转换电路3对R‑2R电阻网络的输出电流进行求和并转换为电压信号。 [0026] 本发明的低分辨率数模转换器组1由n个相同的低分辨率DAC并联组成：分别为DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn，其中n为自然数。 [0027] 本发明的低分辨率DAC可以使市场上任何分辨率的DAC，如在本发明的最佳实施例中：n个相同的低分辨率DAC可以为8位、10位、11位、12位、14位或者16位DAC。 [0028] 本发明的R‑2R电阻网络2如图1所示，其由电阻多个电阻R2和R1连接组成，其中在每个低分辨率DAC的输出端连接一电阻R2，在连接低分辨率DAC电阻R2之间连接有一个电阻R1，在连接低分辨率DAC1的电阻R2上还连接有一个用于接地的电阻R2；连接低分辨率DACn的电阻R2的一端作为输出至电流电压转换电路3的输入端。 [0029] 本发明的电流电压转换电路3如图1所示，该电路包括运算放大器OP、电容C和电阻R1，其中运算放大器OP的输出作为整个装置的高分辨DAC输出Vout，电阻R1和电容C并联在运算放大器OP的反相输入端和输出端之间，运算放大器OP的反相输入端还作为电流电压转换电路3的输入连接至R‑2R电阻网络2的输出端；运算放大器OP的同相输入端接地。 [0030] 基于以上装置，本发明使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的方法如下： [0031] 将低位数数字量输入至数据总线，由数据总线分别输入至组成低分辨率数模转换器组1的n个DAC的输入端；由R‑2R电阻网络2为低分辨率数模转换器组1的n个DAC提供相应0 n 1 n 2 n (n‑1) n 的权值，其中DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn分别对应的权值为2/2、2 /2、2 /2、…、2 /2 ； 然后电流电压转换电路3对R‑2R电阻网络2的输出电流进行求和并转换为电压信号(即R‑2R电阻网络2和电流电压转换电路3对低分辨率数模转换器组1中的DAC1、DAC2、DAC3、…DACn的输出信号进行加权求和)。其中低分辨率数模转换器组1的n个DAC输出经过R‑2R电阻网络 2以及电流电压转换电路3后的输出Vout为： [0032] Vout＝20/2n*VDAC1+21/2n*VDAC2+22/2n*VDAC3+…+2(n‑1)/2n*VDACn； [0033] 其中，VDAC1、VDAC2、VDAC3、…、VDACn分别表示DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输出。 [0034] 以上低分辨DAC的位数为N，低分辨率数模转换器组1的DAC个数为n，则通过对低分辨率数模转换器组1的DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输入进行编码，编码的目的是对低分辨率DAC的输出进行细分，编码后的输入经过低分辨率数模转换器组1、R‑2R电阻网络2、以及电流电压转换电路3后，得到高分辨率DAC输出，最终由低分辨率DAC合成的高分辨DAC的位N (n+N)数为N+n位，即DAC的分辨率由1/2提高到了1/2 。 [0035] 在本发明的方法中，对低分辨率数模转换器组1的DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输入进行编码的编码规则如表1所示： [0036] 表1：低分辨率DAC合成高分辨率DAC编码表 [0037] [0038] [0039] [0040] 在表1中：(1LSB)N指低分辨率数模转换器组中的DAC所能分辨的最小电压；(2LSB)NN表示2个(1LSB)N，(kLSB)N表示k个(1LSB)N，k为2‑1，1、2、…、k是低分辨率数模转换器组1的DAC的输入值。 [0041] 结合表1说明编码规则：假设N位低分辨率DAC通过n个低分辨率DAC合成(N+n)位高N分辨率DAC，例如，低分辨率DAC的输出为(1LSB)N，(1LSB)N＝(1/2)*VREF,VREF是DAC的参考电压，对DACn、…、DAC1、DAC2、DAC3的输入(以十进制数表示)进行编码为0、…、0、0、1，通过本 0 n 0 n+N 发明方法合成后的高分辨率DAC的输出(1LSB)N+n为2 /2 *(1LSB)N，即为(2 /2 )*VREF，(1LSB)N+n指的是合成后的高分辨率DAC所能分辨的最小电压；低分辨率DAC的输出为N (2LSB)N，(2LSB)N＝2*(1/2)*VREF,对DACn、…、DAC1、DAC2、DAC3的输入(以十进制数表示)进 1 n 行编码为0、…、0、1、0，通过本发明方法合成后的高分辨率DAC的输出(2LSB)N+n为2 /2 * 1 n+N (1LSB)N，即为(2/2 )*VREF，按照低分辨率DAC合成高分辨率DAC编码表以此类推，可以得到整个参考电压范围内的DAC输出值，而这个输出值是具有(N+n)位DAC分辨率的，从而实现了使用低分辨率DAC来合成高分辨率DAC。 [0042] 综上所述，本发明能够提高目前市场上存在的任意分辨率DAC的分辨率，且具有分辨率高、线性度优、易于构造、无需频繁校准的优点，具有非常强的实际应用价值。 |
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