智能仪表中Σ-Δ模数转换器的硬件实现
发布时间：2022-12-05 11:10:48
２０１ｌ牛，弟ｌ划 文章编号：１００５—３３８７（２０１１）０１—０００３—０４ 智能仪表中∑一△模数转换器的硬件实现 赵（１．江苏省计量科学研究院，南京摘波 董颖华 李保婷 ２１０００７；２南京师范大学电气与自动化工程学院，南京２１００４２） 要： 一△式模拟数字转换器在模拟信号采集中获得广泛应用，其实现通常有硬件方法和软件方法两种。本文提出 了一种硬件实现方法，并就此进行了验证。实验结果证实此硬件方法较软件方法有更多的优势，结果还表明此硬件实现具有 性能价格比高，分辨率与转换速度互适应的特点，适于低成本模拟信号采样场合的应用。 关键词：模数转换；∑一△转换；软件；硬件 中图分类号：ＴＨ８６２ ７５ 文献标识码：Ａ ０ 引言 在智能化仪表等应用系统中，常常需要将现场的 根据奈奎斯特定律，一个被转换的数据必须以 其最高频率至少２倍的速率进行采样，∑一△模数 转换器可以以极高的频率进行采样以降低量化噪 声，这种过采样降低了对采样保持电路以及模拟滤 波电路的要求。 图１所示为基本形式的一阶Ｄｅｌｔａ调制器方框 图。它包括一个积分器，一个比较器和一个１位的 温度、压力及流量等非模拟量经传感器转换成连续的 电信号后，为满足数据处理、控制等方面的需要需经模 数转换变成离散的数字量。随着集成电路的发展，目 前虽有大量现成的Ａ／Ｄ芯片，但由于受许多客观条件 的限制，很多应用中特别在智能化仪器仪表中，常常需 要单独设计既简单精度又高的Ａ／Ｄ转换电路。 目前的Ａ／Ｄ电路不外乎直接Ａ／Ｄ和间接Ａ／Ｄ 两大类，直接Ａ／Ｄ主要是逼近式Ａ／Ｄ，而问接Ａ／Ｄ ＤＡＣ模拟输入信号Ａｉ 和ＤＡＣ反馈环的输出叠加，叠 加的信号进行积分并由比较器进行量化，比较器的功 能就是１位的量化器。比较器输出的数字信号再通 过１位的ＤＡＣ转换回模拟信号并反馈到输入节点。 调制器的输出Ｄｏｕｔ处的数字量输出与模拟输 则以双积分Ａ／Ｄ，∑一ＡＡ／Ｄ较为普及。本文介绍的 Ａ／Ｄ转换电路则充分利用了ＣＰＬＤ硬件资源，多输 入通道，具有精度高，低成本，测量精度和速度可选 择等突出优点，在工业现场有实际意义。 入值成比例，该位流进行数字滤波后抽取十分之一 以二进制格式保存为结果。 ２硬件∑一Ａ ＡＤＣ 使用比较器和推挽输出特性可实现一个最少外 部元件的简单∑一ＡＡＤＣ，这些器件用于平衡开关的 １ 一△原理 在许多应用上已得到了证实， 一△原理用于 高分辨率的ＡＤＣ变得越来越重要。它的主要优势 是采用了主流的数字信号处理技术，使其可以集成 到数字Ｉｃ当中。 电流脉冲，脉冲对电容进行充电或放电，使其电压等 于输入电压 ，如图２所示电容连接到比较器正相 输入端，而需要测量的电压连接到反相输入端。图 ３所示ＣＰＬＤ在整个测量周期中记录充电脉冲的个 数，同时确定整个转换周期。使用者可以根据实际 需要来确定一个转换周期的长短，同时可以控制转 换精度。该方法相对较慢但精确。由于输入电压在 整个测量周期被平均，因此，要达到较高的精度输入 ｌＩ ｍｅｌｔａ调制器 电压，必须在整个测量周期中保持恒定。该原理适 合于许多要求高分辨率但变化缓慢信号的测量，可 应用于电池充电控制、温度传感器、电表等等。在上 电后第一次转换开始时电容需要通过充／放电一直 到电容上的电压等于输入电压。 图１一阶Ｄｅｌｔａ调制器原理图 国家质检总局科技计划项目（＃２００８ＱＫ１０４） ２——
比较器输｝士 输出 计数脉冲 Ｉ－－１ 在ｔ－．升沿读入比较结果，在下降沿输出 图２单个乏一△模数转换器模拟部分原理图 图３ ＣＰＬＤ模数转换计数输出原理图 在预充电阶段之后开始测量见图４，根据比较器的 状态，在主时钟上升沿使控制ＶＩ在高电平和低电平 之间切换从而使电容的电压一直和输入电压保持相 等。当充电时充电电流如式（１）： ， ＝ （１） 式中， 为供电电压； 为输入电压， 为内 阻抗。 当放电时放电电流如式（２）： ，一 ｗ＇ｉ （２） 电容上的电荷Ｑ 为： Ｑ ＝Ｑ０＋ｎＴ × ＂ｆ 一ｍＩ—Ｘ ７ ｆ （３） 式中，ｑ。是转换前电荷量；ｍ是整个测量周期 主时钟的脉冲数；ｔｌ，为充电脉冲数；Ｔｃｙｃｌ 为单个脉冲 次测量周期；Ｔ为整个测量周期（Ｔ＝ｍ× ）。 由于在进行Ａ／Ｄ转换时电容两端电压变化很 小，可以近似认为测量前后，电容上的电荷基本不 变，即Ｑ 等于ｑ。。因此有： （ｍ ；＝ｎ （４） —— Ｌ—— 且Ⅱ ＝ （５） 结果和高电平脉冲个数以及电源电压成正比。 对 和Ｃ的没有严格的要求，可以按照每个周 期电压变化约为１ＬＳＢ的原则来选取．ｒ＝ＲＣ的值。 在下面的例子中使用２４ＭＨｚ振荡频率，一个测量周 期包含２个基本时钟机器周期 等于０．０８３１￣ｓ。 目标分辨率为２Ｏ位， 为４．１００Ｖ，用电压基准产 生。可以按照式（６）来选择Ｒ和Ｃ： 丁＝Ｒ×Ｃ＝１０４８５７６＋２４００００００￣２ｓ＝８７．４ｍｓ（６） 若Ｒ ：１００ｋｌ￣，则Ｃ＝０．８７１￣Ｆ。我们在实验室使 用４７ｎＦ获得了良好的效果。系统对电阻和电容要求 不高，例如，在大多数应用中可以忽略温度系数或误 差，由于任何的漏电流都会影响结果，因此，使用低漏 电流的电容非常重要，不推荐使用电解电容。必须采 取特别的措施来降低噪声和电源波动对精度的影响， 这里建议使用积分原理使用过采样可以实现更高的 分辨率或更好的噪声抑制。在实际中测量的次数十 倍于计算所需要的次数，对于２０位的结果１０４８５７６ 次已经足够了，但使用过采样可以得到更可靠的结 果。这样做可以抑制主要的噪声，可以根据所要求的 分辨率精度以及可用的转换时间进行最优化配置。 ＼ 八人／＼八八／＼／＾＼人人人 