CN108768401B - 一种使用低分辨率dac合成高分辨率dac的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，涉及一种合成高分辨率DAC方法，尤其是一种使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的装置及方法。
背景技术
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。
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
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。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
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。
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。
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。
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DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn分别对应的权值为20/2n、21/2n、22/2n、…、2(n-1)/2n；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：
Vout＝20/2n*VDAC1+21/2n*VDAC2+22/2n*VDAC3+…+2(n-1)/2n*VDACn；
其中，VDAC1、VDAC2、VDAC3、…、VDACn分别表示DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输出。
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。
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：
表1：低分辨率DAC合成高分辨率DAC编码表
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)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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
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
图1为本发明的原理示意图。
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
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn分别对应的权值为20/2n、21/2n、22/2n、…、2(n-1)/2n；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：
Vout＝20/2n*VDAC1+21/2n*VDAC2+22/2n*VDAC3+…+2(n-1)/2n*VDACn；
其中，VDAC1、VDAC2、VDAC3、…、VDACn分别表示DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输出。
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的位数为N+n位，即DAC的分辨率由1/2N提高到了1/2(n+N)。
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：
表1：低分辨率DAC合成高分辨率DAC编码表
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)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。
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)位高分辨率DAC，例如，低分辨率DAC的输出为(1LSB)N，(1LSB)N＝(1/2N)*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，通过本发明方法合成后的高分辨率DAC的输出(1LSB)N+n为20/2n*(1LSB)N，即为(20/2n+N)*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(2LSB)N，(2LSB)N＝2*(1/2N)*VREF,对DACn、…、DAC1、DAC2、DAC3的输入(以十进制数表示)进行编码为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21/2n*(1LSB)N，即为(21/2n+N)*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。
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。
Claims (3)
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-2R电阻网络(2)为低分辨率数模转换器组(1)提供相应的权值；所述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，所述电流电压转换电路(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；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DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn分别对应的权值为20/2n、21/2n、22/2n、…、2(n-1)/2n；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：
Vout＝20/2n *VDAC1+21/2n *VDAC2+22/2n *VDAC3+…+2(n-1)/2n *VDACn；
其中，VDAC1、VDAC2、VDAC3、…、VDACn分别表示DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输出；
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。
2.根据权利要求1所述的使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的方法，其特征在于，所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，所述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。
3.根据权利要求1所述的使用低分辨率DAC合成高分辨率DAC的方法，其特征在于，对低分辨率数模转换器组(1)的DAC1、DAC2、DAC3、…、DACn的输入进行编码规则为表1：
表1：低分辨率DAC合成高分辨率DAC编码表
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)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。
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