專利名稱:數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器的制作方法
本發明是關于兩次采樣模-數轉換器的改進。本發明可用來構成高精度數字電壓表。
兩次采樣模-數轉換器通常是一種復合式高精度轉換器，它包含一個低精度A/D轉換器和一個高精度D/A轉換器。這種轉換器的模-數轉換是通過兩次采樣過程束實現的。第一次采樣時，由低精度A/D轉換器將模擬量(電壓)轉換為數字量，這相當于高位數。然后，由高精度D/A轉換器將該高位數字量轉換為模擬量，這相當于被測量的高位值。第二次采樣時，再由低精度A/D轉換器對被測量與高精度D/A轉換器反饋的被測量高位值之差進行轉換，得被測量的低位數。高位數與低位數之代數和即代表被測模擬量。
在兩次采樣模-數轉換器中，高精度D/A轉換器是關鍵部分，它決定了模-數轉換器的精度。
日本《NIKKEI ELECTRONICS》雜志于1974年NO、82期發表的八位數0.1ppm高精度數字電壓表，采用了磁調制式電流比較儀作為高精度D/A轉換器。這種D/A轉換器需用價格昂貴的坡莫合金，體積大，成本高。
英國SELabs公司的SM215型數字電壓表采用了感應式分壓器來作高精度D/A轉換器，也要采用坡莫合金。
日本武田理研生產的TR-6567型數字電壓表，采用了電阻網絡來作高精度D/A轉換器，對電阻和開關要求很高，生產工藝復雜，成本高。
上述三種兩次采樣高精度模-數轉換器的共同缺點是體積大，不易集成，成本高。
本發明的目的是改進兩次采樣中的第二次采樣方法。改進的實質在于把第一次采樣獲得的數字量在第二次采樣過程中直接反饋回來，而不再轉換為模擬量后反饋，從而克服了上述三種高精度A/D轉換器的缺點。
本發明之所以稱為數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器，是因為在第二次采樣過程中，第一次采樣所得的高位數是直接以數字方法反饋回來。本發明數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器的兩次采樣均通過一般精度的雙積分A/D轉換器實現。當然，第一次采樣也可用任何一種A/D轉換器，只要它能獲得被測量的高位數即可。
在第一次采樣中，雙積分A/D轉換器的上斜時間T1與數字量N1相應，而下斜時間T2h與數字量H2h相應。在第二次采樣的上斜過程中，被測量Ex接入的時間與數字量mN1相對應，而基準電壓Es接入的時間與數字量mN2h相對應。這可通過計數器N1、N2h和m來實現，實際上就是當可逆計數器N1和N2h減為0后，重又恢復原值N1和N2h，共重復m次，但在每個置數節拍中，N2h≤N1。重復置數m次也可通過一個可逆計數器來實現。在第二次采樣的下斜過程中，Ex被切斷，而放電所用的基準電壓可縮小n倍，為Es/n。這樣，在第二次采樣中，得低位數N2l。
由于N1和N2h共置入m次，而第二次采樣所用的基準電壓可縮小為Es/n，故本發明可獲得計數容量mnN2h+N2l。這種數字反饋式兩次采樣模-數轉換器只用一般精度的雙積分A/D轉換器和一些邏輯部件，卻可獲得高精度A/D轉換。由于本發明對模擬器件要求不高，邏輯簡單，故易于制成大規模集成電路。
現按圖1所示的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器的電路圖解釋如下在第一次采樣的上斜過程中，被測量1(±Ex)通過開關6的閉合接入由積分電阻11、積分電容器17和放大器18組成的積分器，對電容器17充電，充電時間T1可通過控制邏輯對可編程計數器30置數N1后的減法計數實現。當N1減為0時，控制邏輯34通過開關控制29和極性檢測與檢零邏輯28切斷開關6，閉合開關7(當被測量為-Ex時)或閉合開關8(當被測量為+Ex時)，接入基準電壓，對電容器17進行放電，同時，可編程計數器31從0開始進行加法計數。
電容器17的電荷一旦放完，檢零器27的輸出使極性檢測與檢零邏輯28工作，使可編程計數器31停止計數，得計數N2h，這相應于下斜時間T2h。由于雙積分A/D的轉換精度不夠，N2h實際上只反應Ex的高位數。通過第一次采樣，可得表達式Exh=Es(T2h)/(T1) =Es(N2hτ1)/(N1τ1) = Es(N2h)/(N1) (1)式中，Exh-被測電壓的高位值;
Es-基準電壓;
T1-上斜時間;
T2h-下斜時間;
τ1-第一次采樣所用的鐘頻周期;
N1，N2h-相應為可編程計數器30和31中的計數脈沖。
經過一段休止時間，即進入第二次采樣過程。這時，可編程計數器30中置入數字N1，31中保留數字N2h，在可編程計數器32中置入數字m，使上斜時間T1重復m次。在上斜過程中，被測電壓1(假設為-Ex)通過開關6接入m個節拍，每個節拍的開關導通時間為T1。同時，基準電壓2(+Es)通過開關7也接入m個節拍，但在每個節拍的開關導通時間為T2h，時間T1和T2h是通過可編程計數器30和31對預置數N1和N2h進行減法計數來實現。這時，積分器的輸出電壓為V0=Σj = 1m［1C R∫( j - 1 ) T1j T1EXd t -1CR∫( j - 1 ) T1( j - 1 ) T1+ T2 hESd t］]]>
＝ (EX)/(CR) mT1- (ES)/(CR) mT2h(2)當上斜時間達mT1時，開關6即被切斷，而開關7在第m個節拍中可輯程計數器31減為0時被切斷。根據Vo的極性判斷，極性檢測邏輯28作用于開關控制29，接通開關9或10，接入相應的基準電壓4(+ (Es)/(n) )或5(- (Es)/(n) )，同時，控制邏輯34使可編程計數器33開始計數，直至檢零器27的輸出使檢零邏輯28工作，令計數器33停止計數時止。這時，積分器的輸出電壓V0為0V′o＝Vo+ 1/(CR)∫0T2 L]]>(- (Es)/(n) )dt＝Vo- (Es)/(ncR) T2L＝0 (3)由(3)式，得V0CR＝ (Es)/(n) T2l (4)由(2)式得V0CR＝mExT1-mEsT2h考慮到(1)式，得V0CR＝m〔ExT1-ExhT1〕＝mT1〔Ex-Exh〕 (5)由(5)式可見，在第二次采樣的m個節拍中，通過mN2h的數字反饋，在本質上就是實現了對被測電壓低位值Exl的積分，即(Ex-Exh)mT1＝ExlmT1＝VOCR (6)
由(4)和(6)二式，得Exl＝ (ES)/(mnT1) T2l (7)取兩次采樣結果的代數和，得被測電壓ExEx＝Exh+Exl＝Es(T2h)/(T1) +Es- (T2l)/(mnT1) (8)在第二次采樣中，上斜時鐘周期τ1可為下斜時鐘周期τ2的q倍，故T1＝N1τ1·T2h＝N2h l·T2l＝N2lτ2或T2l＝N2lτ1/q，而(8)式可寫成Ex＝Exh+Exl＝ (ES)/(mnqN1) 〔mnqN2h+N2l〕 (9)由(9)式可見，對Ex進行第一次采樣可獲得高位數N2h。在第二次采樣中，通過數字量N2h的反饋和重復反饋次數m，而且在下斜時通過基準電壓縮小n倍和計數鐘頻提高q倍，可使計數容量擴大mnq倍，從而顯著地提高了轉換精度，而轉換時間并不顯著增加。
為提高測量速度，第一次采樣也可由低精度快速A/D35實現。所得數字量也可作為N2h在第二次采樣中進行數字反饋。
圖1中邏輯電路34可用單片機、單板機或由分立元件組成邏輯電路;計數電路30、31、32和33可用可預置可逆計數器，可編程計數器或由單片機或微機中的計數定時單元實現，讀寫存儲器36和隨機存取存儲器也可包含在單片機或單板微機中。除電阻、電容元件外，可把大部分模擬電路和邏輯電路做成一塊或兩塊大規模集成電路。
本發明與已有的兩次采樣A/D轉換器相比，具有如下優點1.在兩次采樣的第二次采樣過程中，采用由邏輯電路實現的數字反饋，精度高，成本低;
2.在一般的雙積分A/D轉換器的基礎上，只需增加若干可編程計數器和單片機或微機或其他邏輯部件，集成度高，體積小;
3.功耗低，可靠性高;
4.適當組合參數m、n和q，可在同一個A/D轉換器上獲得各種精度和各種速度的模-數轉換，使用靈活，適用面寬;
5.可利用一般精度雙積分A/D與低精度快速A/D的組合，大大擴展A/D轉換器的功能，從而獲得測量精度、測量速度和成本的最佳折衷;
6.易于和計算機相連接。
圖1 數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器電路圖。
1-輸入電壓±Ex;2-基準電壓+Es;3-基準電壓-Es;4-基準電壓+Es/n;5-基準電壓-Es/n;6、7、8、99、10-開關;11、12、13、14、15-積分電阻;16-相加點;17-積分電容;18-積分放大器;19-漂移寄存電容;20-比較器前置放大器;21、22-確定放大倍數的比例電阻;23、24、25、26-限幅二極管;27-比較器;28-極性與檢零邏輯;29-開關控制邏輯;30、31、32、33-可編程計數器;34-A/D控制邏輯，單片機或單板機;35-快速A/D轉換器;36-只讀存貯器，EPROM;37-隨機存取存貯器，RAM。
圖2·A兩次采樣過程中積分器輸出波形圖。
圖2·B兩次采樣過程中輸入電壓和基準電壓波形圖。
權利要求
1.一個由積分器、比較器、極性檢測與檢零邏輯和控制邏輯組成的雙積分A/D轉換器以及由數字反饋控制邏輯，可編程計數器和開關控制組成的數字反饋式兩次采樣高精度一模數轉換器，本發明的特征在于在第二次采樣中，提出了將第一次采樣中通過A/D轉換所得的數字來進行數字反饋以取代巳有兩次采樣A/D轉換器中采用高精度D/A轉換器的模擬反饋。
2.按照權項所述的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器。其實現高精度的方法在于在第二次采樣過程中，把第一次采樣所得數字量的全部位數或部分高位數預置在可編程計數器N2h中，作為數字反饋量，以減法計數的方式控制基準電壓對積分器放電的時間，而對另一可編程計數器N1預置一定數字量后以減法計數的方式來計算被測量對積分器充電的時間，由于數字反饋進行m個節拍，第二次采樣下斜時所用的基準電壓縮小n倍和所用鐘頻提高q倍，使第一次采樣所得數字數N2h擴展mnq倍，從而提高了A/D轉換器的精度。
3.按照權項1所述的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器，其一般精度的雙積分A/D轉換器可用現成商品，如大規模集成電路雙積分A/D轉換器或一般精度的數字電壓表。
4.按照權項1所述的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器，其控制邏輯可由單片機、單板機、微機系統、計算機系統、大規模集成電路或分立元件構成。
5.按照權項1所述的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器，其可編程計數器N1，N2h，m和N2l也可用可預置可逆計數器或用單片機、單板機、微機系統或計算機系統中的計數單元構成，也可制成專用大規模集成電路。
6.按照權項1所述的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器，其第一次采樣也可用雙積分A/D轉換器之外的其他A/D轉換器。
7.按照權項1所述的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器，其只讀存儲器和隨機存取存儲器也可包含在單片機、單板機、微機系統、或計算機系統中。
8.按照權項1所述的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器，其模擬電路和數字電路全部或大部分可集成在一塊或幾塊大規模集成電路中。
9.按照權項1所述的數字反饋式兩次采樣高精度模-數轉換器和按照權項2所述的數字反饋方法，可根據參量m、n和q的不同組合，以實現所需的轉換精度和轉換速度。
專利摘要
數字反饋式兩次采樣高精度模—數轉換器，它基于一般精度的雙積分A/D轉換器，在第二次采樣中，通過控制邏輯、可編程計數器和開關控制來實現數字反饋。以取代已有兩次采樣A/D轉換器中通過高精度D/A轉換器所實現的模擬反饋。與已有的兩次采樣A/D轉換器相比。用數字電路實現數字反饋可不用技術復雜、價格昂貴的高精度D/A轉換器、集成度高、功耗低、精度高、適用性強、價格低，可用于生產高精度數字電壓表。
文檔編號G01R19/25GK87104460SQ87104460
公開日1988年4月27日 申請日期1987年6月25日
發明者費正生 申請人:哈爾濱電工學院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan