核电子学与核仪器-课件14.pptx

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1、核电子学与核仪器核电子学与核仪器覃国秀覃国秀Tel:2023/05/19上次课关键点上次课关键点n一、用于幅度分析的模数变换器一、用于幅度分析的模数变换器 模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽模数变换方法的基本原理、变换系数与道宽n二、线性门与展宽器二、线性门与展宽器 线性门线性门(常闭线性门与常开线性门常闭线性门与常开线性门)、模拟展宽器、模拟展宽器工作原理工作原理n三、线性放电型模数变换器三、线性放电型模数变换器 工作原理、参数调节与辅助电路、滑移标尺道宽工作原理、参数调节与辅助电路、滑移标尺道宽均匀器均匀器本堂课主要内容本堂课主要内容n四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器

2、4.1数模变换器数模变换器 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工作原理 4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题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四、逐次比较型模数变换器 由由于于近近年年来来大大规规模模集集成成电电路路的的迅迅速速开开展展，逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换器器得得到到了了较较多多的的应应用用。与与线线性性放放电电型型模模数数变变换换器器比比较较，它它有有变变换换速速度度快快、易易于于做做成成集集成成芯芯片片、功功耗耗低低和和价价格廉价等优点。格廉价等优点。下下面面先先介介绍绍逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换电电路路中中的的一

3、个重要部件一个重要部件-数模变换器。数模变换器。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.1数模变换器数模变换器 数数模模变变换换器器把把输输入入的的数数码码(通通常常为为二二进进制制)变变换换成成与与此此数数码码成成正正比比的的模模拟拟量量。一一个个二二进进制制数数码码是是按按各各位位代代码码组组合合起起来来表表示示的的，每每一一位位代代码码有有一一定定的的权值。这就代表了一个具体的数值。权值。这就代表了一个具体的数值。因因此此，为为了了将将数数字字量量变变换换成成模模拟拟量量，应应将将每每一一位位代代码码按按权权值值变变换换成成相相应应的的模模拟拟量量。然然后后将将各各模模拟拟

4、量量相相加加，其其总总和和就就是是与与数数字字量量成成正正比比的的模模拟拟量量，从而完成数模变换。从而完成数模变换。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.1数模变换器数模变换器 模模数数变变换换器器通通常常由由基基准准电电源源、电电阻阻解解码码网网络络和和电电子开关电路组成。子开关电路组成。基基准准电电压压VR经经过过电电阻阻网网络络输输出出，电电阻阻网网络络由由电电子子开开关关电电路路操操作作，而而电电子子开开关关又又由由数数字字输输入入信信号号操操作作。因因此此输输出出电电流流或或电电压压由由数字输入信号操作。数字输入信号操作。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换

5、器n4.1数模变换器数模变换器 电阻解码网络可用各种方法构成。电阻解码网络可用各种方法构成。二二进进制制权权电电阻阻解解码码网网络络数数模模变换器变换器 四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.1数模变换器数模变换器 二二进进制制加加权权电电阻阻解解码码网网络络在在位位数数越越多多时时，电电阻阻变变化化范范围围越越大大。梯梯形形电电阻阻解解码码网网络络有有较较好好的的性性能能。电电路路中中所所用用电电阻阻值值只只有有R和和2R两两种种，所所以以又又称称R-2R电阻网络，在数模变换器中得到广泛应用。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梯形电阻解码网络数模

6、变换器 四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.1数模变换器数模变换器 梯梯形形电电阻阻网网络络的的特特点点是是任任何何一一个个节节点点的的三三个个分分支支阻阻抗抗都都相相等等(等等于于2R)。每每个个2R支支路路中中的的电电流流自自左左向右以向右以1/2系数逐渐减小。系数逐渐减小。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.1数模变换器数模变换器 数模变换器的主要技术指标有：数模变换器的主要技术指标有：（1）分辨率）分辨率 是是数数模模变变换换器器对对微微小小输输入入量量变变化化的的敏敏感感程程度度的的描描述述。通常用数字量的位数来表示。通常用数字量的位数来表示。（2

7、）精确度）精确度 表表示示数数模模变变换换器器加加上上一一个个给给定定的的数数字字码码时时，测测量量到到的的实际模拟输出值和期望值之间的差值。实际模拟输出值和期望值之间的差值。（3）线性误差）线性误差 表表示示数数模模变变换换器器的的实实际际传传输输特特性性曲曲线线和和理理想想响响应应直直线线之间的最大偏差。之间的最大偏差。典型典型12位数模变换器集成芯片位数模变换器集成芯片 四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.2逐次比较型模数变换器工作原理逐次比较型模数变换器工作原理 用用逐逐次次比比较较方方法法进进行行模模数数变变换换是是与与叠叠加加单单道道分分析析器器方方法法相相似似。

8、在在叠叠加加单单道道分分析析器器中中，各各个个标标准准电电平平是是不不变变的的，输输入入信信号号进进行行一一次次比比较较就就能能得得到到全全部的地址码，因此有时也称之为并行变换方法。部的地址码，因此有时也称之为并行变换方法。显显然然，并并行行变变换换方方法法是是速速度度最最快快的的变变换换方方式式，但但是是在在高高道道数数时时难难于于实实现现。如如果果用用12个个二二进进制制位位标标准准电电平平组组成成4096个个标标准准电电平平，每每一一次次比比较较为为一一个个位位标标准准电电平平，逐逐次次进进行行比比较较，可可构构成成4096道道逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换器器。这这种种方方法法称

9、称为为逐逐次次比比较较法法或或串行变换方法。串行变换方法。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.2逐次比较型模数变换器工作原理逐次比较型模数变换器工作原理 逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换器器利利用用二二进进制制的的标标准准电电平平与与输输入入信信号号比比较较。第第一一次次比比较较时时，取取标标准准电电平平为为满满量量程程的的一一半半；假假设设标标准准电电平平小小于于信信号号幅幅度度，则则标标准准电电平平保保存存下下来来，进进行行第第二二次次比比较较。第第二二次次比比较较的的标标准准电电平平为为保保存存的的上上次次标标准准电电平平加加满满量量程程的的四四分分之之一一标标准准

10、电电平平。假假设设标标准准电电平平小小于于信信号号幅幅度度，第第二二次次比比较较的的标标准准电电平平同同样样保保存存下下来来，进进行行第第三三次次比比较较。假假设设标标准准电电平平大大于于信信号号幅幅度度，则则不不保保存存该该标标准准电电平平。依依此此类类推推，直直到到12个个标标准准电电平平取取出出比较完才结束。比较完才结束。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.2逐次比较型模数变换器工作原理逐次比较型模数变换器工作原理 逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换器器，每每次次比比较较都都将将标标准准电电平平减小为前次的一半。减小为前次的一半。假假设设标标准准电电平平小小于于信信号

11、号幅幅度度，则则被被保保存存；假假设设标标准准电电平平比比信信号号幅幅度度大大，则则不不保保存存。最最后后停停止止比比较较时时，所所有有保保存存下下来来的的标标准准电电平平之之和和与与被被测测信信号号幅幅度度十分接近。十分接近。逐次比较型模数变换器工作波形图逐次比较型模数变换器工作波形图 如果输入信号幅度如果输入信号幅度Vi=2457.6mV，则，则第一次比较：第一次比较：VR11=2048mV；保存；保存；1第二次比较：第二次比较：VR10=1024mV(3072mV)；不保存；不保存；0第三次比较：第三次比较：VR9=512mV(2560mV)；不保存；不保存；0第四次比较：第四次比较：V

12、R8=256mV(2304mV)；保存；保存；1第五次比较：第五次比较：VR7=128mV(2432mV)；保存；保存；1第六次比较：第六次比较：VR6=64mV(2496mV)；不保存；不保存；0第七次比较：第七次比较：VR5=32mV(2464mV)；不保存；不保存；0第八次比较：第八次比较：VR4=16mV(2448mV)；保存；保存；1第九次比较：第九次比较：VR3=8mV(2456mV)；保存；保存；1第十次比较：第十次比较：VR2=4mV(2460mV)；不保存；不保存；0第十一次比较：第十一次比较：VR1=2mV(2458mV)；不保存；不保存；0第十二次比较：第十二次比较：VR

13、0=1mV(2457mV)；保存；保存；1四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.2逐次比较型模数变换器工作原理逐次比较型模数变换器工作原理 逐逐次次比比较较法法的的道道宽宽就就是是地地址址码码最最低低位位对对应应的的DAC标标准准电电平平：VR0=1mV。如如果果每每次次比比较较的的时时间间为为T，比比较较次次数数为为12次次，则则需需要要的的比比较较时时间间为为12T。对对于于不不同同幅幅度度的的输输入入信号都要进行十二次比较，所以变换时间是固定的。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：逐次比较型模数变换器变换时间和道数的关

14、系为：对对多多道道逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换器器，目目前前变变换换时时间间可可做做到到接接近近于于1s。这这比比线线性性放放电电型型模模数数变变换换器器要要小小得得多多。但但是是逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换器器的的道道宽宽一一致致性性较较差差，主主要要由由于于标标准准电电平平很很难维持精确的比例。难维持精确的比例。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题 在在线线性性放放电电型型模模数数变变换换中中影影响响道道宽宽的的参参考考标标准准只只有有一一个个。而而在在逐逐次次比比较较型型模模数数变变换

15、换器器中中采采用用数数模模变变换换器器输输出出的的多多个个独独立立参参考考标标准准电电平平与与输输入入信信号号进进行行比比较较。不不同同输输入入脉脉冲冲幅幅度度是是用用不不同同的的标标准准电电压压或或电电流流来来测测定定的的。由由于于各各个个参参考考标标准准电电平平很很难难维维持持精精确确比比例例，所所以以道道宽宽一一致致性性要要比比线线性性放放电电型型差得多。差得多。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题 在在逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换器器中中，任任何何一一道道的的道道宽宽是是由由该该道道的的上上

16、下下边边界界电电平平之之差差决决定定的的，而而道道的的边边界界电电平平是是由由数数模模变变换换器器输输出出标标准准电电平平的的大大小小来来决决定定的的。数数模模变变换换器器输输出出的的标标准准电电平平又又是是由由各各个个参参考考标标准准电电平平相相加加而而成成。所所以以参参考考标标准准电电平平的的不不一一致致会严峻影响道宽的一致性。会严峻影响道宽的一致性。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题 通通常常把把逐逐次次比比较较型型模模数数变变换换器器的的道道宽宽分分成成两两类类。一一类类是是偶偶数数道道宽宽HiQ

17、(i=0、2、4)，其其大大小小为为VR0。另另一一类类是是奇奇数数道道宽宽HiP(i=1、3、5)，其其大大小小为为上上下下边边界界之之差差。道道宽宽不不一一致致性性在在奇奇数数道道宽宽处处普普遍遍存存在，但以道址在二分之一总道数处最严峻。在，但以道址在二分之一总道数处最严峻。道道宽宽的的不不均均匀匀性性严严峻峻影影响响模模数数变变换换器器的的微微分分非非线线性，为此必须采用道宽均匀器。性，为此必须采用道宽均匀器。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题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：利用滑尺原理所作的

18、移道法道宽均匀器：四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题 实实际际上上，M不不一一定定要要取取得得很很大大，只只要要满满足足道道宽宽一一致致性要求就行。性要求就行。因因此此，如如果果在在移移动动范范围围内内只只有有某某一一道道道道宽宽偏偏离离正正常常值值，则则移移道道法法道道宽宽均均匀匀器器使使道道宽宽偏偏离离值值减减小小到到原原来来的的1/(M+1)。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题 推广到一般情况，则推广到一般情况

19、，则该该式式说说明明，第第i道道道道宽宽的的相相对对偏偏差差减减小小了了1/(M+1)倍倍。但但是是对对于于第第i道道的的右右边边第第(i+1)道道到到第第(i+M)道道范范围围内内，各各道道道道宽宽皆皆偏偏离离了了正正常常道道宽宽H。这这些些为为第第i道道参参与与分分选选的的M个个道道，在在实实际际上上决决定定这这些些道道的的道道宽宽时时，包包括括了了第第i道道的的原原始始道道宽宽，因因此此，道道宽宽均均匀匀器器的的作作用用是是将将其其中中一一道道道道宽宽的的偏偏离离“分分摊摊”到到(M+1)个道的道宽中去。个道的道宽中去。四、逐次比较型模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.3逐次比较型模

20、数变换器的道宽均匀问题逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题 逐逐次次比比较较法法模模数数变变换换器器使使用用上上述述方方法法可可以以减减小小中中间间道道道道宽宽不不一一致致带带来来的的误误差差。当当不不只只是是一一个个道道的的道道宽宽偏偏离离正正常常值值时时，道道宽宽均均匀匀器器仍仍然然起起各各道道道道宽宽偏偏差差的的平平均均“分分摊摊”作作用用。但但是是，假假设设某某一一(M+1)道道范范围围内内的的道道宽宽多多数数增增大大，则则其其平平均均值值将将明明显显高高于于另另一一(M+1)道道范范围围内内的的平平均均道道宽宽，移移道道法均匀器不能消除这个误差。法均匀器不能消除这个误差。四、逐次比较型

21、模数变换器四、逐次比较型模数变换器n4.3逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题逐次比较型模数变换器的道宽均匀问题 实实现现移移道道的的方方式式分分为为连连续续移移道道和和随随机机移移道道两两种种。连连续续移移道道的的移移道道电电平平是是每每输输入入一一个个脉脉冲冲增增大大一一个个道道宽宽。连连续续增增加加下下去去，直直到到移移道道电电平平等等于于M个个道道宽宽。然然后后降降到到0再再周周期期重重复复。连连续续移移道道电电平平是是周周期期性性连连续续变变化化的的，但但对对某某一一道道输输入入脉脉冲冲来来说说在在它它输输入入时时可可能能遇遇到到多多大大的的移移到到电电平平却却是是随随机机的的。所所以以不不一一定定要要采采用用连连续续移移道道法法，只只要要保保持持移移道道电电平平的的变变化化范范围围一一定定，各各种种移移道道电电平平都都出出现现相相同同的的次次数数，则移道电平也可以用随机方式改变。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四、逐次比较型模数变换器用随用随机移机移道法道法道宽道宽均匀均匀器的器的逐次逐次模数模数变换变换器原器原理图理图 总结演讲完毕，谢谢观看！