高精度AD771X系列Σ—ΔA／D转换器校准系数的调整浅析
高精度sigma-deltaad转换技术研究与实现
独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：导师签名：日期：年月日摘要摘要Sigma-Delta 模数转换器采用过采样和噪声整形技术，使得信带内的量化噪声功率受到抑制，并用数字滤波器来滤除带外的量化噪声和电路噪声，因此把负担转移到鲁棒性更强的数字电路。
Sigma-Delta模数转换器在提高了转换器的信噪比和动态范围的同时，非常大程度上降低了对模拟电路精度的要求。
相对于其他奈奎斯特数据转换器，由于其特有的高动态范围和鲁棒性，Sigma-Delta技术在低频、音频等众多领域有着非常广泛的应用。
本文主要是基于“超高精度A/D转换器新结构研究”中的研究成果，阐述了Sigma-Delta技术的基本原理及高精度Sigma-Delta模数转换器设计的关键技术。
在理论推算和仿真结果的基础上比较多种高精度Sigma-Delta转换器结构，指出了各种技术的局限性及其解决方案。
本文设计了SIMULINK平台上Sigma-Delta模数转换器的行为级模型，不仅包含了理想调制器和滤波器的模型，还对实际电路特别是模拟电路的非理想特性进行了建模，借此分析实际电路对Sigma-Delta 模数转换器的性能的影响，并通过仿真确定对各电路模块的性能要求。
AD转换产生的测量误差分析
A/D转换产生的测量误差分析作者：周向阳作者单位：绍兴文理学院后勤集团,绍兴,312000刊名：中国西部科技英文刊名：SCIENCE AND TECHNOLOGY OF WEST CHINA年，卷(期)：2006，(4)被引用次数：0次参考文献(3条)1.模拟和接口指南 20042.赵毅.牟同升A/D、D/A接口电路系统设计[期刊论文]-仪表技术与传感器 20013.谢少伟利用31/2位直流数字面板表制作欧姆表[期刊论文]-电子世界 2001相似文献(1条)1.学位论文汤小松感应与数字球形聚焦测井系统研究2009本文在电法测井基本理论的基础上，根据我国各大油田薄油层勘探开发实际需要，结合高分辨率感应测井仪的研制，对感应和数字球形聚焦测井系统进行了研究。
主要研究内容包括感应和球形聚焦探测性能分析、系统井下电路设计、测井仪器质量控制。
<br> 论文在双线圈系感应测井理论的基础上提出一种高分辨率的五线圈系结构，使仪器有了更深的径向探测深度和更高的纵向分辨率；球形聚焦测井采用了数字聚焦方法，大大缩小了仪器体积，提高了仪器的稳定性和可维护性；将感应线圈系和聚焦电极系采用径向重复布局，使仪器长度大为减小，弥补了其他测井仪器结构过长不利于多参数组合测井和装载运输的不足。
整个系统的控制和数据处理以FPGA和DSP为核心，采用16位高精度的A/D转换器，实现了井下仪器数字化；完成了感应和球形聚焦测井各单元电路的设计、仿真。
在系统调试的基础上，对测井仪器质量控制中关键的刻度理论和方法进行了研究分析，完成了球形聚焦测井的模拟地层实验验证。
<br> 本文的感应与数字球形聚焦测井系统研究，将FPGA、浮点型数字信号处理器以及高精度A/D转换器应用到测井仪器的设计之中，不仅实现了球形聚焦测井的数字聚焦，也体现了测井技术装备的发展趋势—高分辨、集成化、深探测，有利的促进了我国测井技术装备水平的提高。
本文链接：/Periodical_zgxbkj200604010.aspx授权使用：燕山大学(ysdx)，授权号：b1f3c2f9-3a5e-40b8-8288-9ea4010785b2下载时间：2011年3月12日。
高精度A_D转换器的设计与实现_马宏锋
测量误差（ mV） 0． 04 0． 01 0． 04 0． 03 0． 03
基本关系式为：
T1
=
VREF （
N1
+
N2 2n
）
| Ux |
Tc
设计中，取 m = 8，时钟脉冲周期 Tc = 120 μs，基
准电压 VREF = 5 V，并希望把 2 V 被测电压变换成 N
= 65 536 码读数时，由上式可以计算出 T1 = 76． 8
ms，而传统的双积分式 A / D 转换器在相同的条件下
比较器电路。积分电路一共有 3 个工作状态，分别为 积分准备过程（ 积分完成过程） 、第 1 次积分过程和第 2 次积分过程。而 3 个过程的实现主要依赖于模拟 开关的控制。其中，积分准备过程有： S1 = 0，S2 = 1，S3 = 1； 第 1 积分过程有： S1 = 1，S2 = 1，S3 = 0； 第 2 积分 过程有： S1 = 1，S2 = 0，S3 = 0。这 3 个过程的转换必须 由计数器电路、比较器电路的合理配合才能实现，因 此将 3 个过程设置成一个由定时器控制的时序过程， 就可以完成开关的合理切换。其中，定时器由 3 个计 数器来实现，其控制时序波形如图 4 所示［4］。
图 5 控制电路原理图
4 系统调试
率、测量误差以及转换速度测试，测试结果表明该设 计方案可以满足工程应用的高精度、低功耗、高集成
利用单片机控制电路对 FPGA 器件实现的 A / D 度要求，在电压测量领域具有广泛的工程应用价值。
转换器进行数据采集，系统的调试采用软件控制开 关 S4 分量程进行，其中，设计的第 1 量程是 0 ～ 200 mV，设计的第 2 量程是 200 mV ～ 5 V。从而获得表 1 所示的 A / D 转换结果，可见在低量程其平均测量 误差不大于 0． 08% ，在高量程其平均测量误差不大 于 0． 02% ，验证系统具有较高的精度和可靠性。
一种用于高精度D_A转换器的数字校准技术
用该校准技术的 16 位电流舵 D/ A 转换器的 DNL 大于 ±0. 5 L SB ,达到了真正的 16 位精度 。
关键词 : 数字静态校准 ; 电流舵 D/ A 转换器 ; 逐次逼近寄存器
中图分类号 : TN79 + 2
文献标识码 :A
文章编号 :100423365 (2010) 0120024205
4 校准环路工作原理
图 2 是校准环路的功能框图 。可编程计数器和 行选 、列选产生器可合称为校准引擎 。校准环路主 要由校准引擎 、校准 DAC 阵列 、SA R 、比较器及电 流源阵列构成 。校准引擎控制整个校准过程 。在校 准时钟的作用下 ,可编程计数器产生 8 条地址线 。8 条地址线将通过行选 、列选产生器 ,产生校准所需的 133 个地址 。
一个近似公式 :
σI = 1
(6)
I 2c 2N
c≈3 时 ,INL_yield = 90 %。
基于以上分析与公式 :
INL _yiel d ] σI AVth / Aβ/ (V GS - V TH ) W , L (7)
I
当实现 16 位精度的 D/ A 转换器时 ,通常要求
过大的单元 MOS 管尺寸 ,216 个这种单元将占据极
图 1 16 位 D/ A 转换器内核 Fig. 1 Block diagram of D/ A converter core
该 16 位 D/ A 转换器被分段设计为主 DAC 和 子 DAC 。主 DAC 用来完成高 7 位的转换 ,子 DAC 用来完成低 9 位的转换 。高 7 位采用温度计码 ,相 应地 ,有 127 个高位电流源 。由于采用电流分裂技 术 ,还会有一个额外的高位电流源为子 DAC 提供 电流 。静态校准电路将对这 128 个电流源及决定满 度电流的 4 个电流源进行校准 。这 128 个电流源称 为线性电流源 , 4 个满度电流源称为增益电流源 。 因属前台校准 ,所以器件处于校准时 ,是不能正常输 出模拟信号的 。
高精度Delta-Sigma A／D转换器的原理及其应用
噪 声 ， 在低 频 主 要 是 １ 而 ／ 声， Ｆ噪 当
图 ２ 噪 声频 谱 图
制 调 电压不会 出现在输 出端 ， ‘ 而这
在 Ｄ ｌ — ｉｍａ转 换 器 中 有 显 著 效 ｅｔ Ｓｇ ａ
果 。因为 差 分放 大 器 的 输 出正 好
被 积 分 器 平 均 ， 移 随 着 时 间及 射 漂 调 变 化 ，对 窄 波 稳 定 电路 来 说 ， 射 调 实 际 值 是 无 关 紧 要 的 ， 此 随着 因 时 间 的 漂 移 和 射 调 不 会 影 响 转 换 的结果 。 图 ４给 出 了… 个 ４位 Ａ Ｃ转 换 Ｄ 为满刻 度 正弦 波 时的 时域 变化 情况 。
世 界 电 早 元 器 件 ２ ０ ． ｗ＇ ． ｃｍａｇ．ｏｒ ０ ６３ ｗｗ ｇｅ ｃ ｎ
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时 ，１ Ｉ 声越 ｌ。人们通常把 １ Ｆ噪 大 ／ Ｆ
噪 声想 象 成 漂 移 ， 是 一 个 非 常 低 它
频 率 的现 象 ，常 用 的解 决 方 法 是 采 用窄波输入 。 获得 窄 波 稳 定 输 入 的方 法 如 图
３所示 ，如果有 一个 ｌ Ｖ的射 调电 ｍ
压 加 在 差 分 放 大 器 的 同 向输 入 端 ， １ ｍＶ的信 号 出现 在 正 的 输 出端 ， 而 在 下 面 的 电 路 中 ， ｍＹ的信 号 被 输 １ 出 到 负 的 输 出 端 。 由 于 它 被 交 替 地 加 到 正 的和 负 的 输 出 端 ， 此 最 因 后 的结果 是经过平 均后 ， １ 这 ｍＶ的
高分辨率A／D转换器AD7712与单片微机的串行接口
高分辨率A／D转换器AD7712与单片微机的串行接口纪宗南
【期刊名称】《电子产品世界》
【年(卷),期】1998(000)060
【摘要】ＡＤ７７１２是一种适合低频测量的高精度Ａ／Ｄ转换器，片内含有两个输入通道，它能把传感器的小信号或大信号（±４×ＶＲＥＦ）变成串行数据输出。
利用Δ转换技术，实现高精度，无失码的转换。
可编程增益放大器（ＰＧＡ）不仅能满足模拟输入信号宽动态范围的要求，...
【总页数】1页(P60)
【作者】纪宗南
【作者单位】南京航空航天大学自动控制系
【正文语种】中文
【中图分类】TP335.1
【相关文献】
1.一种带串行接口微功耗 A／D 转换器的逻辑控制策略 [J], 沈策;文旭;胡鑫
2.高性能串行接口模拟多路转换器ADG731/ADG725 [J], 王盛艳;李刚
3.高分辨率A／D转换器AD7712与单片微机的串行接口 [J], 纪宗南
4.基于FPGA和高速串行接口AD转换器AD7476的接口应用 [J], 王连华
5.△—∑型A—D转换器是高分辨率转换器 [J], 周启德
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Σ-Δ ADC转换器工作原理及相关概念介绍
越来越多的应用，例如过程控制、称重等，都需要高分辨率、高集成度和低价格的ADC。
新型Σ-Δ转换技术恰好可以满足这些要求。
然而，很多设计者对于这种转换技术并不十分了解，因而更愿意选用传统的逐次比较ADC。
Σ-Δ转换器中的模拟部分非常简单(类似于一个1bit ADC)，而数字部分要复杂得多，按照功能可划分为数字滤波和抽取单元。
由于更接近于一个数字器件，Σ-ΔADC的制造成本非常低廉。
一、Σ-ΔADC工作原理要理解Σ-ΔADC的工作原理，首先应对以下概念有所了解：过采样、噪声成形、数字滤波和抽取。
1. 过采样首先，考虑一个传统ADC的频域传输特性。
输入一个正弦信号，然后以频率fs采样--按照Nyquist定理，采样频率至少两倍于输入信号。
从FFT分析结果可以看到，一个单音和一系列频率分布于DC到fs /2间的随机噪声。
这就是所谓的量化噪声，主要是由于有限的ADC分辨率而造成的。
单音信号的幅度和所有频率噪声的RMS幅度之和的比值就是信号噪声比(SNR)。
对于一个Nbit ADC，SNR可由公式：SNR=6.02N+1.76dB得到。
为了改善SNR和更为精确地再现输入信号，对于传统ADC来讲，必须增加位数。
如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为kfs，再来讨论同样的问题。
FFT 分析显示噪声基线降低了，SNR值未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。
Σ-Δ转换器正是利用了这一原理，具体方法是紧接着1bit ADC之后进行数字滤波。
大部分噪声被数字滤波器滤掉，这样，RMS噪声就降低了，从而一个低分辨率ADC，Σ-Δ转换器也可获得宽动态范围。
那么，简单的过采样和滤波是如何改善SNR的呢?一个1bit ADC的SNR为7.78dB(6.02+1.76)，每4倍过采样将使SNR增加6dB，SNR每增加6dB等效于分辨率增加1bit。
这样，采用1bit ADC进行64倍过采样就能获得4bit分辨率;而要获得16bit分辨率就必须进行415倍过采样，这是不切实际的。
新时期高精度D／A转换器设计技术分析
新时期高精度D／A转换器设计技术分析当前信息技术、计算机技术、通信技术开始发展，人们对高精度D/A转换器的要求提高，对于当前使用的D/A转换器而言，其使用中需要多个电阻进行匹配，不能保证匹配精度，转换器修调精度比较低，因此其实际工作精度很难达到人们的预期要求。
针对这一情况，相关技术人员要对其进行改进设计。
改进设计中应用了开关管导通电阻匹配技术，开关管分段匹配技术等，下面就对具体的改进设计过程精细分析，希望给有关人士一些借鉴。
标签：高精度；D/A转换器；设计技术当前集成电路得到了快速发展，传统设计中使用的模拟电路结构实现的芯片，当前都改用数字电路进行实现，但是对于D/A转换器而言，由于其是模拟电路和数字电路连接的关键点，当前还需要使用模拟电路结构，因此存在一定的弊端，为了对转换器工作质量进行提高，必须对其加以改进设计。
1分析电压型D/A转换器的整体结构1.1 分析R-2R结构下图是常用的D/A转换器结构，但是在D/A 转换器中其只是其中一种，还有很多种设计结构。
在实践中应用这一结构之后，其内部的电阻个数有效减少，如果需要构建N位的数模转换器，通常情况下只需要3N个电阻即可，在此基础上，设计人员要清楚，转换器精度和电阻相对精度有一定的关系，和电阻的绝对值没有任何关系。
结合R-2R 结构电压模式进行D/A转换器的深入研究，技术人员可以向其中输入不同的数字代码，进而通过R-2R电阻把参考电压VREF、VOUT信号等连接到一起，最终可以将VOUT输出到后面的输出缓冲器中，最终将其转换为输出电压。
如果技术人员把地电位替换成另一个负的参考电压，通过这一方式的修改就可以将这一结构变为双极性输出。
1.2精度缺陷和改进思路通过实践应用表明其电阻是非常稳定的，电阻值非常精准，可以进行校准，属于一种薄膜电阻。
相关人员要清楚这种电阻的温度系数在20ppm/℃以下，除此之外，其失配度可以有效控制在0.005%范围内。
但是现实也存在一定的问题，当前代工厂不能加工制造出这种电阻，但是如果选用多晶电阻进行替代，无论是精度和修调精确度都不能达到之前的效果，因此构成的转换器精度也不能保证。
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１ 引 言
器件 的每个 通道 都有一 对校 准 寄存器 ， 个用 于 一 存零 量程校 准 系数 ， 另一个 用 于存 满量程 校准 系数 ： 零量程 ２ ４位 校 准 寄 存 器 的 校 准 系 数 用 来 去 除 ＡＩ ７ Ｘ 数字 滤波器输 出信 号 的漂 移 成分 （ ） １ ７ 内部的或 内部 和外部 的 ） 满量 程 ２ 校准寄 存器 的校 准 系数 ； ４位 用来 去 除 ＡＤ ７Ｘ 数 字滤 波 器输 出信 号 的增 益 成分 ７１ （ 内部 的或外 部 的 ） 首先从 滤 波器 的输 出减去 零量程 。 校准 系数 ，所 得结 果乘 以满量 程校 准系 数 ．然 后将结 果 载人输 出寄存 器 。
３ 校 准系数
Ａ ７ Ｄ １Ｘ系列 ∑ △ １ Ａ／Ｉ转换器为各种低频信 ］ 号的测量提供 了完善的模拟前端 这些 ２ 位 Ａ １转 ４ ／）
换 器使用 了 ∑一Ａ技 术 ， 保证 ｒ ｌ ６位精 度和 ２ ４位 无
错 码转换 他 们包 含一 个增 益 可编程 的模拟 前端 ， 可 编程低通 数字 滤波 器和一个 双 向串行接 口 具 有差 分 模 拟输人 和差 分参 考输人 的特性 ， 具有高 的共 模抑 制 比 （ ０ Ｂ 四线 接法 ） 可工作 于单 电源 供 电或 双电 ＞９ ｄ 源供 电 增益 可从 １到 １８选择 ， 应模 拟输人跨 度 ２ 相 可从 ２ｍＶ 到 ２ ５ 单极 性 ）或 ＝２ ｍＶ 到 ±２５ ０ ｖ（ ０ Ｖ
Ｌ
１
ｍ
Ｉ０ ２ ３０ ¨
Ｈ
［ 摘
∞ 他 要Ｊ ７１ ＡＤ ７ ｘ系州 Ａ Ｄ转换器的 ３种标准校准模式基本可满足 一 ／ 般应用 的要求 ． 但有些特定的场合需要做特殊的调整
本文介绍的两种调整方法经实践证 明具有很高的实际应用价值 【 关键词 】 ［转换器 ； 准系数 ； Ａ／） 校 溺整 【 中图分类 号】 Ｎ７ ９２ Ｆ 【 文献标识码 ｆ 文章编号］０ ７ ５０ ２ ０ ）４ ０ ９ ２ １０ —７ １ （０ ２０ —０ ２ —０
ｗ ｅ。 ＳＨ ＥＮ ｉ ｉ Ｘ ａｎ— ｗ ¨ Ｇ ｕＯ ｉ ｗｅ Ｓｈ —
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Ｂｅ ｌ ｇ ０ Ｈ３ ． Ｃｈ ｎ ２ Ｆｏ ｃ ｄ — ａ 啪 Ｇｅ Ｆ ｉｉ １ 【 ｌ ９ ｎ ｉａ ｒｅ ｒ ｎｅ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ａ／ ｃ ｎ ｅ ｔ ｒｏ Ｄ ｏ ｖ ｒ ｅ ｆＡＤ７ ０ ｆ ｍ ｉｙ ｈａ ｈｒ ｅ ｓ ａ ｄ ａ ｉ ｒ ｌ ｎ ｍ ｏ ｅ ｈ ｔｍ ｓ ｄ ｉ ｅ ｅ ａ ｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｂ ｔ ７１ ａ ｌ ｓ ｔ ｅ ｔ ｎ ａ ｄ ｃ ［ ａ ｉ ｄ ｓ ｔ ａ ｒ ｂ ｏ ｕ ｅ ｎ ｇ ｎ ｒ ｌａ ｐ ｉ ｔｏ ｕ ｃ ｉ ｐ ｃ ａ ａ ｅ Ｔｈ ｓ ｔ ｓ ｐ ｐ ｒ ｉ ｒ ｄｕ ｅ ｗｏ ｃ ｌｂ ａ ｉ ｎ ｍ ｅ ｈ ｄ ｏ ａ １ ＇ ｔ ａ ｉ ａ ｉ ｎ ｃ ｅ ｆｃ ｅ ｔ ｏ ｍｅ ｔ ｔ ｅ ｓ ｃ ｉ 【ｅ ｂ ｓ ｎ ｕ ｈｉ ａ ｅ ｎｔ ｎ ｃ ｓ ｔ ａ ｉ ｒ ｔｏ ｔ ｏ ｓ ｔ ｄ Ｓ ｈｅ ｅ ｔ Ｊ ｔ Ｌ ｂｒ ｔｏ ｏ ｆｉ ｉ ｎ ｓ ｔ ｅ ｈ ｓ ｅ ｉ ］ｎ ｅ ｓ Ｉ ｃ ｉ ｅ ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｒ ｕ ｃ ｓ ｆ ｌ ｐ ｃ ａ ｅ ｄ ｔ ｐｒ ｒｃ ｈ ｔ ｏ ｓ ｆ ｃ ｓ ｃ ｅ ｓ ｕ ｌ ａ ｌ Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：Ａ／ ｃ ｎ ｅ ｔ ａ ｉ ｒ ｔ ｏ ｏ ｆｉ ｉｎ 、ａ ｓ Ｄ ｏ ｖ ｒ ｅ ；ｃ ｌｂ ａ ｉ ｎ ｃ ｅ ｆｃ ｅ ｔ ｄ ｕ ｔ Ｆ Ｊ
认 状态有 关
ＡＤ ７Ｘ 系 列 ∑一Ａ ７１ Ａ／ Ｉ转换 器 具 有不 同 的校 ） 准模 式 ，可 以实 现 器件 本 身的增 益和 漂 移 误差 的校 准 ，电可 实现 整个 系统的校 准 。校 准模 式包 含 自校准
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高精 度 ＡＤ７ １ 系列 ７Ｘ ｍ ｖ ０ ． ∑一Ａ Ｄ 转 换 器 校（ 舱
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（ 武警 巷部 医院 ， 京 １０ ３ 泣 武警 吉抹 省 怠队 医 院 ， １ 北 ００９ 吉棘 长春
（ 极性 ） 双 ：ＡＤ ７ ｘ 系列 包 括 ＡＤ７ １ 、ＡＤ ７ ｌ ７１ ７０ ７ １、 ＡＤ７ １ 、 ７ ２ ＡＤ７ １ 、 ７ ３ ＡＤ７ １ ７ ４等 ，可 以从 Ａｎ ｌｇＤｅ ａｏ ｖｃ ｓ ｉｅ 获得相 关资料 ： ２ 校准原理
校 准寄存 器值 的范 围特别 大 ， 是考虑 到器件 可 这 编 程 的各种增 益 和滤波 器截止 频率 ， 也考虑 到 电源 的 耐 压 及制造工 艺 引起 的器件本 身参 数 的变化 。 这 系 数 的设定 值通 常很 大 ， 如 ， 电复位 后 ， 例 上 零量 程校 准 系数 默认 是 ２ ０ Ｄ（ １Ａ７ 十六 进制 ）（ ， Ｉ３ ７ ２ ６ ，３３十进 制 ） 满 量程 系数 默认是 ５ Ａ５３ 十六进 制 ）（ ， １ ， ， ２ １（ ５ ４６ ２ 十进 制 ）这些 默认 的系 数和控 制寄 存器 上 电的默 ｌ １ ，