一種數模轉換器的控制方法及數模轉換器與流程
2024-03-03 11:56:15 2
本發明涉及數模轉換器領域，更具體地說，涉及一種數模轉換器的控制方法及數模轉換器。
背景技術：
數字模擬轉換器(Digital-to-Analog Converter，簡稱為DAC)的積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)是表徵其性能的兩個重要指標，其中，積分非線性(INL)是表徵數模轉換器的輸出理想值與實際轉換值之間的最大偏差。
理論上，數模轉換器DAC的輸出曲線是一條過原點的理想直線，而在實際中由於多種因素導致數模轉換器DAC的輸出曲線不是線性的，如圖1所示，Vin表示輸出的數位訊號，Vout表示輸出的模擬信號，實際輸出曲線與理論輸出曲線存在偏差。而造成這種結果是因為數模轉換器的電晶體自身存在差異性，如圖2所示為一種典型的電流型數模轉換器電路圖。由於每個電晶體的隨機誤差不同，即每個電晶體產生的電流不可能完全相同；同時也由於熱傳導，應力等的梯度效應的影響，例如靠近晶片功率部分的熱量要高，電晶體受到的影響也大，以及劃片時靠近邊緣的電晶體受到的應力大等因素影響，即使電晶體有相同的柵源電壓VGS得到的漏極電流i也是不同的，最終造成了數模轉換器DAC的輸出不是理想的直線。
為了避免上述因素帶來的輸出不理想的問題，提高DAC輸出的準確性，需要增大電晶體的面積，以及對其進行複雜的匹配操作，但這樣會增加成本而且效果不明顯，因此有必要尋找一種更合適的辦法來改善DAC的輸出特性。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提出了一種數模轉換器的控制方法及數模轉換器，通過取出數模轉換器輸入輸出值擬合出線性函數，然後調節所述線性函數的斜率和截距，以使得擬合出的線性函數與所述數模轉換器的理想線性函數接近，以擬合的線性函數作為數模轉換器的輸出函數，可以提高數模轉換器的積分非線性。
依據本發明的一種數模轉換器的控制方法，包括以下步驟：
將N個不同的數字編碼輸入至所述數模轉換器，獲得對應的模擬輸出值；
以所述輸入數字編碼和所述模擬輸出值作為坐標，根據所述的N個不同的數字編碼和對應的模擬輸出值獲得N個對應的坐標點；
根據獲得的坐標點進行線性擬合，以獲得擬合的線性函數；
調整所述線性函數的斜率，以使得所述線性函數的斜率與預定的斜率相等，其中，所述預定的斜率為所述數模轉換器的理想線性函數的斜率值；
調整所述線性函數的截距，以使得所述線性函數的截距與所述數模轉換器的理想線性函數的截距一致；
以調整斜率和截距後的線性函數作為所述數模轉換器的輸出函數。
優選地，以輸入的數字編碼作為橫坐標，以模擬輸出值作為縱坐標，獲得N個對應的坐標點。
優選地，當所述數模轉換器為電流型數模轉換器時，調整所述線性函數的斜率的具體步驟包括：
調節輸入至所述數模轉換器中電晶體的柵源電壓的大小，以調整所述電晶體的漏極電流的大小；
通過調節所述漏極電流的大小調節所述數模轉換器的輸出值的大小，從而調節所述線性函數的斜率。
優選地，當所述數模轉換器為電流型數模轉換器時，調整所述線性函數的截距的具體步驟包括：
利用不受輸入數字編碼控制的多個電晶體控制所述線性函數的截距；
所述多個電晶體通過相同的柵源電壓時漏極電流不相同，通過開啟不同的電晶體以獲得不同的截距大小。
優選地，在輸入數字編碼全部為零時將所述數模轉換器中的所有電晶體關閉，以使得所述線性函數經過零點。
優選地，當所述數模轉換器為電阻型數模轉換器時，調整所述線性函數的斜率的具體步驟包括：
調節所述數模轉換器的參考電壓值和電壓源輸出值的差值，以調節所述線性函數的斜率，其中，所述電壓源輸出值為輸入至所述數模轉換器中運算放大器的正向輸入端的電壓值。
優選地，當所述數模轉換器為電阻型數模轉換器時，所述調整所述線性函數的截距的具體步驟包括：
保持二者壓差不變以調節所述電壓源輸出值和數模轉換器的參考電壓值以調節所述線性函數的截距。
依據本發明的一種數模轉換器，將N個不同的數字編碼輸入至所述數模轉換器，獲得對應的模擬輸出值；
以輸入數字編碼和模擬輸出值作為坐標，根據所述的N個不同的數字編碼和對應的模擬輸出值獲得N個對應的坐標點；
根據獲得的坐標點進行線性擬合，以獲得擬合的線性函數；
調整所述線性函數的斜率，以使得所述線性函數的斜率與預定的斜率相等，其中，所述預定的斜率為所述數模轉換器的理想線性函數的斜率值；
調整所述線性函數的截距，以使得所述線性函數的截距與所述數模轉換器的理想線性函數的截距一致；
以調整斜率和截距後的線性函數作為所述數模轉換器的輸出函數。
優選地，當所述數模轉換器為電流型數模轉換器時，所述數模轉換器包括多個並聯的第一電晶體，
調節輸入至所述數模轉換器中多個並聯的第一電晶體的柵源電壓的大小，以調整所述多個並聯的第一電晶體的漏極電流的大小；
通過調節所述漏極電流的大小調節所述數模轉換器的輸出值的大小，從而調節所述線性函數的斜率。
優選地，所述數模轉換器還包括多個不受輸入數字編碼控制的第二電晶體，
所述多個第二電晶體通過相同的柵源電壓時漏極電流不相同，通過開啟不同的電晶體以獲得不同的截距大小。
優選地，在輸入數字編碼全部為零時，將數模轉換器中的所有第一電晶體和第二電晶體關閉，以使得所述線性函數經過零點。
優選地，當所述數模轉換器為電阻型數模轉換器，所述數模轉換器包括多個並聯的電阻和運算放大器，
所述多個並聯的電阻通過與其串聯的開關接收外部的參考電壓信號，
所述運算放大器的負向輸入端與所述多個並聯的電阻的公共連接端連接，正向輸入端接收固定電壓源的輸出值；
調節所述參考電壓信號和電壓源輸出值的差值，以調節所述線性函數的斜率。
優選地，保持二者壓差不變以調節所述電壓源輸出值和所述參考電壓信號以調節所述線性函數的截距。
綜上所述，依據本發明數模轉換器的控制方法及數模轉換器，通過取出數模轉換器的輸入輸出點坐標，擬合出一個線性函數，然後調節所述線性函數的斜率和截距，以使得擬合出的線性函數與所述數模轉換器的理想線性函數接近，以擬合的線性函數作為數模轉換器的輸出函數，這樣經過調整後的數模轉換器的輸出比調整前的輸出值更接近於理論值，可以提高數模轉換器的積分非線性。本發明的控制方法通過數字控制調節容易地實現了積分非線性的提升，可以提高數模轉換器的精確度。
附圖說明
圖1所示為現有技術中數模轉換器的輸出函數和理論函數的對比曲線圖；
圖2所示為依據本發明的數模轉換器的控制方法的擬合函數曲線圖；
圖3為依據本發明的數模轉換器的控制方法的調整後的擬合函數曲線圖；
圖4所示為依據本發明的電流型數模轉換器的電路圖；
圖5所示為依據本發明的電阻型數模轉換器的電路圖。
具體實施方式
以下將結合附圖詳細說明本發明的一些優選實施例，但本發明不限於此。
數模轉換器(DAC)在工作時，每增加一位輸入數字編碼，DAC增加一個最低有效位(LSB)的輸出，由於存在隨機誤差和梯度誤差，所以每個LSB不同，最終導致輸出不是線性的。本申請發明人為了減小積分線性度(INL)以提高DAC的輸出線性度，提出一種擬合方式來調整積分線性度INL的方法。
圖2所示為依據本發明的數模轉換器的控制方法的擬合函數曲線圖；本發明的一種數模轉換器的控制方法，包括以下步驟：
第一：將N個不同的數字編碼輸入至所述數模轉換器，獲得對應的模擬輸出值。
第二，以輸入的數字編碼和模擬輸出值作為坐標，根據所述的N個不同的數字編碼和對應的模擬輸出值獲得N個對應的坐標點，本實施例中，以輸入的數字編碼作為橫坐標，以模擬輸出值作為縱坐標，獲得N個對應的坐標點，當然，也可以反之。圖2中以a、b、c、d四個坐標點為例，根據圖2中的坐標點，可以得知實際的輸出函數為如圖2中所示的曲線函數，而本領域技術人員知道，理想的數模轉換器的輸出函數為如圖2中所示的理論線性函數，兩者的偏差很大，也即是數模轉換器的積分線性度很大。
第三，根據獲得的坐標點(即a、b、c、d)進行線性擬合，以獲得擬合的線性函數，如圖2中擬合線性函數，擬合線性函數為與理論線性函數形狀相同的直線，但存在斜率和截距的不同。這裡可以利用最小二乘法的擬合方式獲得所述線性函數，最小二乘法擬合是利用實際測量的點和擬合直線對應點的差值平方和最小，也就是均方誤差達到極小值時所對應的直線為擬合直線，Q(k，b)＝∑(kxi+b－Pi)2，Pi為橫坐標，xi點實際測得DAC的輸出值，實際應用時，可以使用matlab，Origin或者EXCEL等工具獲得擬合的線性函數，但本領域技術人員可知不限於上述擬合方式。
由於存在斜率和截距上的不同，因此，本申請控制方法的第四步需要對擬合的線性函數的斜率和截距進行調整，本實施例中以電流型數模轉換器為例闡述斜率和截距的調整過程。參考圖4所示為依據本發明的電流型數模轉換器的電路圖；如圖4所示，所述數模轉換器包括多個並聯的第一電晶體，如電晶體①、②、③、④，所述多個並聯的第一電晶體的源極端均接地，漏極端通過串聯一開關後連接至公共連接點，公共連接點連接至所述數模轉換器的輸出端。所述多個並聯的第一電晶體的柵極接收驅動電壓信號，這裡由於源極端接地，則多個第一電晶體的柵源電壓記為VGS。本實施方式中，通過調節輸入至所述數模轉換器中多個第一電晶體的柵源電壓VGS的大小，以調整所述電晶體的漏極電流i的大小；通過調節所述漏極電流的大小調節所述數模轉換器的輸出值的大小，從而調節所述線性函數的斜率。
例如，需要調整斜率時，斜率偏小則通過測試機增大輸入至電晶體VGS的值，其中增大的部分△VGS對應每個電晶體的LSB電流則會相應增加△i，N個管子增加n△i，n+1個管子增加(n+1)△i，由此例推，由此數模轉換器的輸出值增加，可使得線性函數的斜率增加；相反斜率偏大則通過測試機減小輸入至電晶體柵極電壓的值，使其變小，最終調整後的擬合線性函數的斜率與理論線性函數的斜率值相等。
擬合線性函數的截距調整則是通過多個不受輸入數字編碼控制的第二電晶體實現，如圖4所示，在數模轉換器還包括多個不受輸入數字編碼控制的第二電晶體，第二電晶體也通過與其串聯的開關連接至上述的公共連接端點。所述多個第二電晶體通過相同的柵源電壓時漏極電流不相同，例如，分別為i/16、i/8、i/4等，通過開啟不同的第二電晶體就可以獲得不同的截距大小。
需要補充的是，調整過後的數模轉換器的輸出曲線不一定過零點，為此，在本申請中，在輸入數字編碼全部為零時將數模轉換器中的所有電晶體關閉，包括將多個第一電晶體和多個第二電晶體關閉，以使得所述擬合的線性函數經過零點。
這樣，經過調整後的擬合線性函數斜率與截距與理論線性函數的斜率與截距相同，如圖3所示為經過調整後的擬合線性函數，由圖3可知調整後的數模轉換器的INL比調整前的INL』小很多。因此達到了改善DAC輸出的精度的目的。
上述以電流型數模轉換器為例闡述了本申請的擬合調整INL的方式，但本發明的擬合控制方法不限於應用於電流型數模轉換器中，下面再以電阻型數模轉換器介紹本申請的擬合控制方法，參考圖5為一種電阻型數模轉換器的電路圖。所述數模轉換器包括多個並聯的電阻和運算放大器，所述多個並聯的電阻通過與其串聯的開關(這裡為單刀雙擲開關)接收外部的參考電壓信號VREF，通過所述多個電阻的電流依次為I、I/2、I/4、I/8、I/16等，所述運算放大器的負向輸入端與所述多個並聯的電阻的公共連接端連接，運算放大器的負向輸入端的電壓即電阻的公共連接端的電壓記為Vx，正向輸入端接收固定電壓源的輸出值Vd，運算放大器的輸出端電壓記為Vo，運算放大器的輸出端連接至所述數模轉換器的輸出端。
根據上述的電路結構有，輸出電壓和負向輸入端之間的電壓差值為：Vo-Vx＝Rf*ΣI，而ΣI＝(VREF-Vd)/Rx(Rx為輸入數字編碼後的等效電阻)，Vx＝Vd，因此有：Vo＝(VREF-Vd)/Rx*Rf+Vd，由此可以看出，調節參考電壓信號VREF和固定電壓源輸出值Vd的差值即可調節數模轉換器的輸出電壓值，也就是可以調節線性函數的斜率。
同樣的，從上述公式可以看出，等幅度調節所述電壓源輸出值Vd和數模轉換器的參考電壓信號以調節所述線性函數的截距。因此，在圖5中參考電壓信號VREF和電壓源輸出值Vd均是可調節的，可通過可調電壓源等電路實現。
這裡，需要補充的是，當調節截距時會改變Vd的大小，但此時如果斜率已經調整好的話需要同時改變VREF的值，防止截距改變後改變了VREF與Vd的差值而影響到斜率。
綜上，依據本發明數模轉換器的控制方法及數模轉換器，首先通過擬合的方式獲得線性函數，然後調節所述線性函數的斜率和截距，以使得擬合出的線性函數與所述數模轉換器的理想線性函數接近，以擬合的線性函數作為數模轉換器的輸出函數，這樣經過調整後的數模轉換器的輸出比調整前的輸出值更接近於理論值，可以提高數模轉換器的積分非線性。
本發明的控制方式通過數字擬合控制調節容易地實現了積分非線性的提升，可以提高數模轉換器的精確度。上述以電流型和電阻型數模轉換器為例將本申請的控制方式進行闡述，但本領域技術人員可知，該擬合的控制方式不限於上述結構的電流型或電阻型數模轉換器，還可以應用在其他電流或電阻結構或其他類型的數模轉換器中，在本發明的思想範圍內的修改和替換都在本發明的保護範圍之內。
以上對依據本發明的優選實施例的數模轉換器的控制方法及數模轉換器進行了詳盡描述，但關於該專利的電路和有益效果不應該被認為僅僅局限於上述所述的，公開的實施例和附圖可以更好的理解本發明，因此，上述公開的實施例及說明書附圖內容是為了更好的理解本發明，本發明保護並不限於實施例公開的範圍，本領域普通技術人員對本發明實施例的替換、修改均在本發明的保護範圍之內。