CN103795416A

CN103795416A - 一种高精度数字到解算转换器

Info

Publication number: CN103795416A
Application number: CN201410068480.5A
Authority: CN
Inventors: 罗佳亮; 奚志林; 陈大科; 夏伟; 朱明锋
Original assignee: Lianyungang Jierui Electronics Co Ltd
Current assignee: Lianyungang Jierui Electronics Co Ltd
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: CN103795416B

Abstract

本发明是一种高精度数字到解算转换器：该转换器由电压基准源、参考源、高精度正余弦函数拟合器、高精度D/A转换器和数据锁存器组成，实现将16位数字信号输入转换为解算信号。本发明转换器主要优点是采用高性能运算放大器和K函数线性替代方法，将高精度的数字-解算信号转换由专用集成电路实现，同时具有良好的工作温度特性。采用高性能运算放大器设计技术得到高增益、大共模工作范围和具有AB类扩展输出结构以及低零位失调的运算放大器，实现精密计算和低失真失调。采用连接电阻消除技术提高***精度和减小温度特性漂移。本发明转换器用少数的***器件，实现数字到解算信号的转换，其精度高、温漂低、同时有一定的电流驱动能力。

Description

一种高精度数字到解算转换器

技术领域

本发明是属于专用集成电路设计（ASIC）领域，特别是一种高精度数字到解算转换器。

背景技术

同步/解算-数字转换器与数字-解算转换器是现代轴角电子变换技术中的两大核心器件，可分别将轴角类模拟信号（同步Synchro或解算Resolver）实时转换成数字角度信号和将数字角度信号实时转换成轴角类模拟信号，广泛应用于航天、航空、雷达、火控及工业自动化领域。而这两大类转换器采用的集成电路则是其真正的核心。

目前国内外已有同步/解算-数字转换器的专用集成电路，但是数字-解算转换器的专用集成电路领域国内是完全空白，而国外的数字-解算转换器则采用自制的多片集成电路和元器件组装的方式，其内部采用的集成电路并没有任何公开的技术文档和对外销售，对于其技术和组装模式难以仿制。国内研制的数字-解算转换器体积大、分立器件多、分辨率仅为12位和14位，最高的静态角精度为4角分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种高精度、低温漂的数字到解算转换器，它能用少数的***器件，实现数字到解算信号的转换，其精度高、温漂低、同时有一定的电流驱动能力。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种高精度数字到解算转换器，其特点是：该转换器由电压基准源、参考源、高精度正余弦函数拟合器、高精度D/A转换器和数据锁存器组成，实现将16位数字信号输入转换为解算信号；

所述的数据锁存器与高精度正余弦函数拟合器、高精度D/A转换器三者互相连接，数据锁存器将外部输入的16位数字信号转化为高精度正余弦函数拟合器和高精度D/A转换器需要的控制信号，控制两者内部的开关，并提供锁存功能；高精度D/A转换器将高精度正余弦函数拟合器提供的高4位解算模拟信号作为参考信号，数据锁存器提供的控制信号做为数字量，进行线性D/A转换，生成低12位的解算模拟信号并反馈给高精度正余弦函数拟合器；

高精度正余弦函数拟合器将外部输入的参考信号依据数据锁存器提供的开关信号，产生高4位解算模拟信号，并结合高精度D/A转换器反馈的低12位解算模拟信号，拟合成16位解算模拟信号；

电压基准源和参考源与高精度正余弦函数拟合器和高精度D/A转换器相连，为其内部的运算放大器和其他模拟电路提供温漂小的偏置电流。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的高精度数字到解算转换器，其特点是：该转换器采用单片集成的方式，在外部仅用少量调试电阻或者精密电阻网络，实现高精度数字至解算信号的变换；采用函数替代法，用运算放大器运算组合拟合高精度正余弦函数输出；采用星型连接优化拓扑结构方法，消除连接导线电阻对高精度正余弦函数拟合器的精度和温度漂移影响；采用高性能运算放大器，减少电路因负载、信号摆幅、零位失调因素产生的各类失真失调；采用温度补偿的电流基准源，实现低温漂。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的高精度数字到解算转换器，其特点是：该转换器采用BiCMOS或者BCDMOS工艺，用单片集成的方式，把分立器件数字到解算功能用单芯片或者加上部分***器件实现；在精度需求低时，所有功能模块用单片实现，如12位精度以下；在精度需求高时，将高精度正余弦函数拟合器中的精密电阻网络、高精度D/A转换器的精密电阻网络放置在专用集成电路外部来实现。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的高精度数字到解算转换器，其特点是：该转换器采用函数替代法，用运算放大器运算组合拟合高精度正余弦函数输出；其高精度正余弦函数拟合器由高4位粗分电路、K函数替代电路、正余弦加减电路构成；高4位粗分电路采用精密电阻分压、反相与高4位控制的控制开关的多路信号选取，得到R_fsinα和R_fcosα两路高4位解算模拟信号；K函数替代电路和正余弦加减电路用线性函数K′替代三角函数K得到R_fsin（α+β）和R_fcos（α+β）的近似值，即实现高精度数字到解算的转换。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的高精度数字到解算转换器，其特点是：该转换器采用高性能运算放大器设计技术得到高增益、大共模工作范围和具有AB类扩展输出结构以及低零位失调的运算放大器，实现精密计算和低失真失调。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的高精度数字到解算转换器，其特点是：该转换器采用温度补偿的电流基准源，实现与电源电压无关且300K附近温漂接近零的基准电流输出，具有低的温漂与宽工作温度范围。

以下对本发明的技术方案进行进一步的说明。

本发明转换器采用BiCMOS工艺时，可以同时具备双极型工艺的高精度和CMOS工艺低功耗逻辑电路特点，采用自顶向下设计方法，设计具有独立功能的模块，并根据主要性能指标要求，按照一定的设计裕量，对每一项指标分配到对应的模块上去。

本发明转换器采用高性能运算放大器和精密电阻网络，实现高精度信号转换；采用优化的拓扑结构减少和消除连接导线的阻抗；采用单位增益缓冲器隔离输入输出阻抗和开关阻抗；采用分布地线，将参与运算的参考地线单独布线，避免信号地与其他有电流通过的地线上的串扰；采用高精度正余弦函数拟合器，用线性函数替代三角函数，减少数模转换的***误差。

本发明转换器的高性能运算放大器同时满足高增益、大共模输入范围、大电流输出和低零位失调电压。为提高电路增益，采用折叠式共源共栅结构，提高直流增益；采用轨到轨输入设计，采用增益匹配技术，减少共模输入改变引起的增益变化，提高共模输入范围；采用交叉耦合四重模块结构，使输出具备AB类输出特性，提供大电流输出能力；选用优化拓扑结构，减少元器件数目，采用版图匹配技术，匹配器件采用交叉耦合设计，减少失配，减低零位失调电压。

本发明转换器的精密电阻网络采用低温漂特性的高精度电阻网络，电阻器件选取相同材料和工艺，使其具备相近的温度漂移特性。片上电阻采用线上可修调薄膜电阻工艺，利用片上修调技术，实现高精度电阻和匹配。采用单位电阻匹配技术，增加电路阻抗匹配。采用对称的电阻结构，连接其的导线，设计相同的宽度、长度和过孔数目，保证连接导线阻抗也全部匹配。

本发明转换器由于所有导线、连接线和开关都具有阻抗和温漂，如何减小和消除连接电阻，能有效的提高***精度和减小温度特性漂移。主要做法是采用星型连接的拓扑结构，将导线的电阻计入运算放大器的输入输出阻抗而非参与运算，能有效降低连接电阻。

本发明转换器中，输入的交流（或直流）参考模拟信号R_f经高精度正余弦函数拟合器的模拟乘法变换和数字乘法变换，实现二阶线性函数替代三角函数，获得高精度、低***误差的数字-解算信号转换。利用线性D/A转换器的线性输出来替代三角函数中的非线性式子，减少非线性误差。高精度正余弦函数拟合器可分为高4位22.5度粗分电路、K函数替代电路、正余弦加减电路。高4位22.5度粗分电路采用精密电阻分压、反相与高4位控制的控制开关的多路信号选取，得到R_fsinα和R_fcosα两路模拟信号。其中α满足等式（1）。由等式（1）和（2），知α和β分别表示了输入数字角度的高4位和低12位角度。高4位22.5度粗分电路如附图1所示，输入参考信号R_f经精密电阻分压分别得到R_f sin(22.5°)、R_f sin(45°)和R_f sin(67.5°)的信号，再加上R_f信号和地，即得到R_fsin(n×22.5°)的信号（n=0，1，2，3，4），开关采样电路对其采样，再用单位增益有源电路进行隔离。隔离信号进行反相和开关采样处理，即得到R_fsinα和R_fcosα两路模拟信号。正余弦加减电路亦由高性能运算放大器和高精度电阻网络组成，电路图分别如图2、3所示。分别实现表达式（6）和（7）。K函数替代电路由高性能运算放大器和高精度电阻网络组成，电路图如图4所示。令输入角度θ=α+β，则通过正余弦函数关系式可以得到恒等式（3），其中K=

Figure 2014100684805100002DEST_PATH_IMAGE001

是一个非线性的函数，泰勒展开式的前几项为式子（4）。以正弦拟合电路为例，其输入为sinθ、sinα、12位D/A的输出X×（m/4096）²，输出电压为X，则输出求解为式子（5）。将正余弦加减电路实现表达式（6）和（7）分别代入，则替代函数K′可表示为式（8），与K函数比较，两者在零点进行泰勒多项式展开，得到前4项系数中第一、三项均为零。选取合适的A、B值，则可以使得***误差最小。

公式：

α= n×22.5°，n=0，1，2，…，15………….………………………….(1)

β=m×0.0055°，m=0，1，2，…，2¹²-1 …..……………………….….(2)

………………………………….………….(3)

, …………..…………...…………….(4)

X=

Figure 2014100684805100002DEST_PATH_IMAGE005

………………...………………....…………...…………….(5)

…...………………... ……………...…………….(6)

Figure 2014100684805100002DEST_PATH_IMAGE007

…...…………………...…………...…………….(7)

…...…………………...……...…...…………...…………….(8) 。

本发明转换器可以根据***整体性能、功耗、面积需求划分各模块区域。根据工艺及最小尺寸确定器件工作电流及宽度长度等基本参数。利用candence软件进行仿真及调整并进行版图设计及规则检查。

本发明转换器的总体工作原理是将输入的参考信号进行采样，由数字信号控制开关进行信号选取参与计算和进行D/A转换，用线性函数替代三角函数，和利用高性能运算放大器与精密电阻网络实现高精度的D/R转换。解算信号是一种同相位的正余弦信号。输入的高4位数字信号控制模拟开关选取精密电阻网络和运放得到高4位的正余弦信号R_fsinα和R_fcosα。K函数替代电路和正余弦加减电路用二阶线性函数K′替代三角函数K得到R_fsin（α+β）和R_fcos（α+β）的近似值。其中K函数替代电路用到了12位高精度D/A转换器的输出结果。它将电压基准源、参考源、高精度正余弦函数拟合器、高精度D/A转换器、数据锁存器集成在单个芯片上，实现数字量到正余弦的解算信号转换，采用高性能运算放大器设计技术和连接电阻消除技术实现高精度的转换，具有体积小、精度高、成本低的特点。电路功能原理框如图5所示。***误差小于0.02角分，仿真示意图如图6所示。

高性能运算放大器设计可以采用Double_Push（交叉耦合四重模块）结构。Double_Push的输出级采用了交叉耦合结构的超源跟随器，具备扩展特性的输出结构，能够输出很大的电流。它具备良好的扩展电流特性和驱动能力，同时对信号不会造成大的失真，同时还大大提高了转换速率，缺点是采用晶体管数目较多，对称性不太好，容易造成失调，因此我们又设计了多种结构，并选取了其中对称性较好的一种结构以减低失调，另外在版图设计上，也对其中需要匹配的晶体管进行对称设计。在输入端，采用了具备轨到轨输入特性的结构，并对其偏置电流进行调制，使得输入电压变化时，跨导变坏小于15%以减小失真。

连接电阻消除技术是指参与运算的电阻由匹配的精密电阻网络进行。由于所有导线、连接线和开关都具有阻抗，如何减小和消除连接电阻，能有效的提高***精度和减小温度特性漂移。主要做法是采用星型连接和电压跟随器，前者将导线的电阻计入运算放大器的输入输出阻抗而非参与运算，能有效降低连接电阻；后者隔离后级负载对前级信号的影响以及消除开关等效电阻。

零温漂电流基准源采用镜像自举电路提供基准的偏置电流，具有与电源电压、工艺等无关的特性。采用正温度系数的电流源与负温度系数的电流源相互补偿，提供零温漂的基准电流。该技术可以提高电路的工作温度范围。

与现在技术相比，本发明转换器主要优点是采用高性能运算放大器和K函数线性替代方法，将高精度的数字-解算信号转换由专用集成电路实现，同时具有良好的工作温度特性。采用高性能运算放大器设计技术得到高增益、大共模工作范围和具有AB类扩展输出结构以及低零位失调的运算放大器，实现精密计算和低失真失调。采用连接电阻消除技术提高***精度和减小温度特性漂移。本发明转换器的用单片集成电路和少数***器件实现的数字到解算变换，不仅可以达到16位分辨率、静态角精度为2角分，同时极大的缩小数字-解算转换器的体积和提高其可靠性。

附图说明

图1是本发明高4位22.5度粗分电路图；

图2是本发明K函数替代电路图；

图3是本发明正弦函数加减电路图；

图4是本发明余弦函数加减电路图；

图5是本发明整体***框图；

图6是本发明***误差分布示意图。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1，参照图1－6，一种高精度数字到解算转换器，该转换器由电压基准源、参考源、高精度正余弦函数拟合器、高精度D/A转换器和数据锁存器组成，实现将16位数字信号输入转换为解算信号；

实施例2，实施例1所述的高精度数字到解算转换器中：该转换器采用单片集成的方式，在外部仅用少量调试电阻或者精密电阻网络，实现高精度数字至解算信号的变换；采用函数替代法，用运算放大器运算组合拟合高精度正余弦函数输出；采用星型连接优化拓扑结构方法，消除连接导线电阻对高精度正余弦函数拟合器的精度和温度漂移影响；采用高性能运算放大器，减少电路因负载、信号摆幅、零位失调因素产生的各类失真失调；采用温度补偿的电流基准源，实现低温漂。

实施例3，实施例1或2所述的高精度数字到解算转换器中：该转换器采用BiCMOS或者BCDMOS工艺，用单片集成的方式，把分立器件数字到解算功能用单芯片或者加上部分***器件实现；在精度需求低时，所有功能模块用单片实现，如12位精度以下；在精度需求高时，将高精度正余弦函数拟合器中的精密电阻网络、高精度D/A转换器的精密电阻网络放置在专用集成电路外部来实现。

实施例4，实施例1或2或3所述的高精度数字到解算转换器中：该转换器采用函数替代法，用运算放大器运算组合拟合高精度正余弦函数输出；其高精度正余弦函数拟合器由高4位粗分电路、K函数替代电路、正余弦加减电路构成；高4位粗分电路采用精密电阻分压、反相与高4位控制的控制开关的多路信号选取，得到R_fsinα和R_fcosα两路高4位解算模拟信号；K函数替代电路和正余弦加减电路用线性函数K′替代三角函数K得到R_fsin（α+β）和R_fcos（α+β）的近似值，即实现高精度数字到解算的转换。

实施例5，实施例1－4任何一项所述的高精度数字到解算转换器中：该转换器采用高性能运算放大器设计技术得到高增益、大共模工作范围和具有AB类扩展输出结构以及低零位失调的运算放大器，实现精密计算和低失真失调。

实施例6，实施例1－5任何一项所述的高精度数字到解算转换器中：该转换器采用温度补偿的电流基准源，实现与电源电压无关且300K附近温漂接近零的基准电流输出，具有低的温漂与宽工作温度范围。

Claims

1.一种高精度数字到解算转换器，其特征在于：该转换器由电压基准源、参考源、高精度正余弦函数拟合器、高精度D/A转换器和数据锁存器组成，实现将16位数字信号输入转换为解算信号；

2.根据权利要求1所述的高精度数字到解算转换器，其特征在于：该转换器采用单片集成的方式，在外部仅用少量调试电阻或者精密电阻网络，实现高精度数字至解算信号的变换；采用函数替代法，用运算放大器运算组合拟合高精度正余弦函数输出；采用星型连接优化拓扑结构方法，消除连接导线电阻对高精度正余弦函数拟合器的精度和温度漂移影响；采用高性能运算放大器，减少电路因负载、信号摆幅、零位失调因素产生的各类失真失调；采用温度补偿的电流基准源，实现低温漂。

3.根据权利要求1所述的高精度数字到解算转换器，其特征在于：该转换器采用BiCMOS或者BCDMOS工艺，用单片集成的方式，把分立器件数字到解算功能用单芯片或者加上部分***器件实现；在精度需求低时，所有功能模块用单片实现，如12位精度以下；在精度需求高时，将高精度正余弦函数拟合器中的精密电阻网络、高精度D/A转换器的精密电阻网络放置在专用集成电路外部来实现。

4.根据权利要求1所述的高精度数字到解算转换器，其特征在于：该转换器采用函数替代法，用运算放大器运算组合拟合高精度正余弦函数输出；其高精度正余弦函数拟合器由高4位粗分电路、K函数替代电路、正余弦加减电路构成；高4位粗分电路采用精密电阻分压、反相与高4位控制的控制开关的多路信号选取，得到R_fsinα和R_fcosα两路高4位解算模拟信号；K函数替代电路和正余弦加减电路用线性函数K′替代三角函数K得到R_fsin（α+β）和R_fcos（α+β）的近似值，即实现高精度数字到解算的转换。

5.根据权利要求1所述的高精度数字到解算转换器，其特征在于：该转换器采用高性能运算放大器设计技术得到高增益、大共模工作范围和具有AB类扩展输出结构以及低零位失调的运算放大器，实现精密计算和低失真失调。

6.根据权利要求1所述的高精度数字到解算转换器，其特征在于：该转换器采用温度补偿的电流基准源，实现与电源电压无关且300K附近温漂接近零的基准电流输出，具有低的温漂与宽工作温度范围。