一种用于提高DAC输出精度的方法与流程

一种用于提高dac输出精度的方法
技术领域
1.本发明涉及测试装置的技术领域，特别涉及一种用于提高dac输出精度的方法。


背景技术：

2.在测试领域中，经常需要用精密电源校准各种量程的电压表电流表，或者在测试系统用精密电源提供有驱动能力的精密信号。为了实现程控，须使用dac这类器件或者使用pwm方式来动态改变输出值，若dac的位数或者pwm的最小脉冲时间确定了，系统的输出分辨率也就确定了。
3.一般而言，高分辨率的精密电源通常选用高位数的dac元件，以获得高精度的分辨率。还有一些高分辨率精密电源，则会用一个dac输出粗调信号，用另一个或多个dac输出细调信号，再把此细调信号通过硬件电路衰减后，和粗调信号叠加，最终实现更高的分辨率。
4.然而，在实际应用时，高位数、高性能的dac元器件型号少，不易选择，而多dac的粗调和细调方式，不仅校准复杂，且分辨率提升有限；精密电源若采用上述两种方式提高输出分辨率，均存在着不同的缺陷。因此，若有一种能够提高dac输出精度的方法，则能够很好地解决上述缺陷。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种用于提高dac输出精度的方法，可以在一个dac上同时实现粗调和细调两种功能，从而提高精密电源的输出分辨率。
6.本发明所采用的技术方案是：本发明所述的一种用于提高dac输出精度的方法使用到输入端、数字调制器、模拟低通滤波器和输出端，所述输入端通过所述数字调制器与待提升dac连接，所述待提升dac与所述模拟低通滤波器连接，所述模拟低通滤波器与所述输出端连接；所述数字调制器包括反馈模块、截断模块、处理模块和噪声整形模块，所述输入端与所述反馈模块连接，所述反馈模块与所述截断模块连接，所述截断模块与所述待提升dac连接，所述处理模块与所述截断模块的前后两端连接，所述噪声整形模块与所述处理模块及所述反馈模块连接；所述方法包括以下步骤：s1、所述输入端输入设定信号x至所述反馈模块；s2、所述反馈模块将设定信号x与所述噪声整形模块输出的整形信号h相加得到反馈信号y，并将反馈信号y输入至所述截断模块；s3、所述截断模块接收反馈信号y后进行处理并输出截断信号v至所述待提升dac；s4、所述待提升dac接收截断信号v后将截断信号v转换为模拟信号并输出至所述模拟低通滤波器；s5、所述模拟低通滤波器接收模拟信号后进行滤波处理，将模拟信号中包含的频
带外的噪声进行降噪，然后输出至所述输出端进行模拟输出；s6、所述截断模块进行信号处理时，所述处理模块截取所述截断模块处理后的截断信号v和所述截断模块处理前的反馈信号y作差，得到量化误差e，并将量化误差e输出至噪声整形模块；s7、所述噪声整形模块对量化误差e进行整形处理并输出整形信号h至所述反馈模块。
7.进一步，所述反馈模块和所述截断模块之间设置有限幅模块，所述限幅模块用于对所述反馈模块输出的反馈信号y进行限幅，控制送入所述截断模块的反馈信号y数据处在合适的范围。
8.进一步，所述反馈模块为加法器、所述处理模块为减法器、所述噪声整形模块为fir滤波器。
9.进一步，所述限幅模块为限幅电路或限幅器。
10.本发明的有益效果是：本发明采用输入端、数字调制器、模拟低通滤波器和输出端与待提升dac配合，以提高待提升dac的输出精度，从而提升应用了待提升dac的精密电源的分辨率；数字调制器用于将输入端输入的设定信号进行截断并将其转换为具有更高采样率的截断信号，然后送往待提升dac转换为模拟信号，通过低通滤波后即可提高的输出精度；实现了在一个dac上同时实现粗调和细调两种功能，进而提高精密电源的输出分辨率。
附图说明
11.图1是本发明的工作原理框图；图2是本发明所述数字调制器的工作流程图；图3是本发明所述数字调制器工作时各项信号的时域波形及频谱图；图4是本发明所述噪声整形模块的噪声整形函数计算原理图。
具体实施方式
12.如图1所示，在本实施例中，本发明所述的一种用于提高dac输出精度的方法使用到输入端、数字调制器、模拟低通滤波器和输出端，所述输入端通过所述数字调制器与待提升dac连接，所述待提升dac与所述模拟低通滤波器连接，所述模拟低通滤波器与所述输出端连接；所述数字调制器包括反馈模块、截断模块、处理模块和噪声整形模块，所述输入端与所述反馈模块连接，所述反馈模块与所述截断模块连接，所述截断模块与所述待提升dac连接，所述处理模块与所述截断模块的前后两端连接，所述噪声整形模块与所述处理模块及所述反馈模块连接；所述方法包括以下步骤：s1、所述输入端输入设定信号x至所述反馈模块；s2、所述反馈模块将设定信号x与所述噪声整形模块输出的整形信号h相加得到反馈信号y，并将反馈信号y输入至所述截断模块；s3、所述截断模块接收反馈信号y后进行处理并输出截断信号v至所述待提升dac；s4、所述待提升dac接收截断信号v后将截断信号v转换为模拟信号并输出至所述
模拟低通滤波器；s5、所述模拟低通滤波器接收模拟信号后进行滤波处理，将模拟信号中包含的频带外的噪声进行降噪，然后输出至所述输出端进行模拟输出；s6、所述截断模块进行信号处理时，所述处理模块截取所述截断模块处理后的截断信号v和所述截断模块处理前的反馈信号y作差，得到量化误差e，并将量化误差e输出至噪声整形模块；s7、所述噪声整形模块对量化误差e进行整形处理并输出整形信号h至所述反馈模块。
13.本发明旨在通过时间换精度，把细调信号调制在一段时间的脉冲中，以提高使用低位数dac的精密电源的输出分辨率。
14.因高位数的目标设定值（即设定信号）通过所述数字调制器的调制后，输出的调制信号会在某个最佳量化值附近变得忽高忽低。此调制信号可以分解为两种信号的叠加，其中最佳量化值为粗调信号，是把高位数的目标设定值截断后的量化值，由所用dac的位数决定；余下的部分即忽高忽低部分为细调信号，量化截断后的误差部分决定了细调信号变高或变低出现的概率，若其均值刚好等于截断后的误差值，又粗调信号为确定信号，则输出的调制信号的均值等于目标设定值，即在低位数dac上实现了高位数目标设定值的精度。
15.所述数字调制器的原理基于如下说明：假定反馈信号截断前后的量化误差，即截断前后的反馈信号和截断信和的差值能够提前获取，若把此差值提前和输入的设定信号相加，一加一减刚好抵消，就可以完全消除误差。然而在实际系统中无法提前获得此量化误差，只能根据前面的量化结果得到之前的量化误差，或者基于过去值来预测下一时刻的误差值。这两种处理方式都会和实际误差值有偏差，但可以通过迭代减小偏差值，即把量化误差反馈到输入，截断后会得到新的输出值和量化误差，又把新的量化误差反馈到输入，不断的调整输出值，不断的反馈量化误差，最终使得其平均值逐渐逼近输入值。
16.所述数字调制器主要包含以下处理过程：1、截断：把设定信号调整到系统中所应用dac的位数。如把16位的定点数截断到4位，即去掉低12位数据。截断后会产生量化误差e，可认为截断过程就是把量化误差e叠加到设定信号x中；2、噪声整形：预测下一时刻截断环节输入的反馈信号y和截断后的截断信号v之间的量化误差e：通过过去各时刻的量化误差e来计算出推测的整形信号h，其特性h(z)决定了预测信号和实际信号的偏差；3、反馈：把预测的下一时刻整形信号h和输入的设定信号x叠加，作为下一时刻截断前输入的反馈信号y。
17.所述数字调制器的原理框图如附图2所示，所述数字调制器中各项信号的时域波形及频谱图如附图3所示。
18.数字调制过程实际是一个负反馈调节过程，其传递函数的频域表示如下：
（算式一）；其中v(z),x(z), e(z)分别是v,x,e的频域表达式， h(z)则是噪声整形函数的频域表达式；由算式一可知，若要让输出误差值即误差项尽可能小，需要h(z)在所关联的频带内对量化误差e(z)有足够的衰减。对于多数应用只需要考虑低频部分即可，本实施例中采用如下函数：，式中，n为其阶数，通常可以取1到5阶；此函数具有典型的高通滤波特性，其对低频信号尤其是直流信号有足够的衰减。对于关心稳态直流精度的系统，此噪声整形函数非常适合。如附图3，观察噪声整形前后频谱图的变化，可以看到噪声整形函数把低频部分的噪声推挤至高频部分，这会导致调制信号的高频部分会有抬升，另一方面，调制后输出信号几乎没有谐波。也可以使用其他特性的噪声整形函数，如：。
19.实际应用中，需要考虑整形函数滤波特性的截取频率点，若设置不当，会导致输出某些频率的交流信号时噪声过大。但在应用时可以用过采样把dac的采样速率提高，过采样后dac的采样率是设定信号的整数倍，这样就能把截止频率往高频移动，以简化对dac输出端的模拟滤波器的性能要求。
20.在本实施例中，所述反馈模块和所述截断模块之间设置有限幅模块，所述限幅模块用于对所述反馈模块输出的反馈信号y进行限幅，控制送入所述截断模块的反馈信号y数据处在合适的范围；所述限幅模块为限幅电路或限幅器；通过限幅电路或限幅器的限幅作用，能够对反馈信号y输出的数据处在适当的范围内，从而避免计算溢出。
21.在本实施例中，所述反馈模块为加法器、所述处理模块为减法器、所述噪声整形模块为fir滤波器。所述反馈模块采用加法器工作，从而实现整形信号h与设定信号x叠加，以输出反馈信号y；所述处理模块采用减法器工作，实现反馈信号y与截断信号v之间的作差，作差时，以截断处理后的截断信号v为被减数，截断前的反馈信号y为减数，从而取得量化误差e；所述噪声整形模块采用fir滤波器工作，其工作时有相应的噪声整形函数计算，如附图4所示，只须把过去的各时刻量化误差值和对应的权重系数相乘后求和即可。
22.本发明基于数字调制器，整体组成了在16位dac上实现24位分辨率的测试装置。使用噪声整形的方式来提高直流输出精度，并通过过采样，把直流下的高分辨率拓展到关心的频带内。对于dac输出中包含的频带外的噪声，通过模拟滤波器就可以降到接受的范围内；24位设定信号进入数字调制器后会被截断为16位，并转换为具有更高采样率的数字信号，然后送往16位的dac转换为模拟信号，通过低通滤波后可达到24位分辨率的输出精度。
23.本发明与现有技术相比，具有以下优点：1.在现有dac的分辨率上，提高其输出分辨率；2.改善谐波失真指标；3.对于大多数测试系统，都含有微处理器，dac输出也会有滤波器，所以只需要把
微处理器的程序更新为基于本发明的方法的程序，就可以提升现有硬件的输出分辨率；4.系统输出分辨率不用受限于dac的位数；5.降低dac输出滤波器性能要求，滤波器设计简单。
24.虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。