專利名稱:數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于兩次采樣模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)。本發(fā)明可用來構(gòu)成高精度數(shù)字電壓表。
兩次采樣模-數(shù)轉(zhuǎn)換器通常是一種復(fù)合式高精度轉(zhuǎn)換器，它包含一個(gè)低精度A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)高精度D/A轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器的模-數(shù)轉(zhuǎn)換是通過兩次采樣過程束實(shí)現(xiàn)的。第一次采樣時(shí)，由低精度A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量(電壓)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這相當(dāng)于高位數(shù)。然后，由高精度D/A轉(zhuǎn)換器將該高位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，這相當(dāng)于被測(cè)量的高位值。第二次采樣時(shí)，再由低精度A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)被測(cè)量與高精度D/A轉(zhuǎn)換器反饋的被測(cè)量高位值之差進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得被測(cè)量的低位數(shù)。高位數(shù)與低位數(shù)之代數(shù)和即代表被測(cè)模擬量。
在兩次采樣模-數(shù)轉(zhuǎn)換器中，高精度D/A轉(zhuǎn)換器是關(guān)鍵部分，它決定了模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。
日本《NIKKEI ELECTRONICS》雜志于1974年NO、82期發(fā)表的八位數(shù)0.1ppm高精度數(shù)字電壓表，采用了磁調(diào)制式電流比較儀作為高精度D/A轉(zhuǎn)換器。這種D/A轉(zhuǎn)換器需用價(jià)格昂貴的坡莫合金，體積大，成本高。
英國SELabs公司的SM215型數(shù)字電壓表采用了感應(yīng)式分壓器來作高精度D/A轉(zhuǎn)換器，也要采用坡莫合金。
日本武田理研生產(chǎn)的TR-6567型數(shù)字電壓表，采用了電阻網(wǎng)絡(luò)來作高精度D/A轉(zhuǎn)換器，對(duì)電阻和開關(guān)要求很高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高。
上述三種兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的共同缺點(diǎn)是體積大，不易集成，成本高。
本發(fā)明的目的是改進(jìn)兩次采樣中的第二次采樣方法。改進(jìn)的實(shí)質(zhì)在于把第一次采樣獲得的數(shù)字量在第二次采樣過程中直接反饋回來，而不再轉(zhuǎn)換為模擬量后反饋，從而克服了上述三種高精度A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)。
本發(fā)明之所以稱為數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)樵诘诙尾蓸舆^程中，第一次采樣所得的高位數(shù)是直接以數(shù)字方法反饋回來。本發(fā)明數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的兩次采樣均通過一般精度的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，第一次采樣也可用任何一種A/D轉(zhuǎn)換器，只要它能獲得被測(cè)量的高位數(shù)即可。
在第一次采樣中，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的上斜時(shí)間T1與數(shù)字量N1相應(yīng)，而下斜時(shí)間T2h與數(shù)字量H2h相應(yīng)。在第二次采樣的上斜過程中，被測(cè)量Ex接入的時(shí)間與數(shù)字量mN1相對(duì)應(yīng)，而基準(zhǔn)電壓Es接入的時(shí)間與數(shù)字量mN2h相對(duì)應(yīng)。這可通過計(jì)數(shù)器N1、N2h和m來實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上就是當(dāng)可逆計(jì)數(shù)器N1和N2h減為0后，重又恢復(fù)原值N1和N2h，共重復(fù)m次，但在每個(gè)置數(shù)節(jié)拍中，N2h≤N1。重復(fù)置數(shù)m次也可通過一個(gè)可逆計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。在第二次采樣的下斜過程中，Ex被切斷，而放電所用的基準(zhǔn)電壓可縮小n倍，為Es/n。這樣，在第二次采樣中，得低位數(shù)N2l。
由于N1和N2h共置入m次，而第二次采樣所用的基準(zhǔn)電壓可縮小為Es/n，故本發(fā)明可獲得計(jì)數(shù)容量mnN2h+N2l。這種數(shù)字反饋式兩次采樣模-數(shù)轉(zhuǎn)換器只用一般精度的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器和一些邏輯部件，卻可獲得高精度A/D轉(zhuǎn)換。由于本發(fā)明對(duì)模擬器件要求不高，邏輯簡單，故易于制成大規(guī)模集成電路。
現(xiàn)按圖1所示的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路圖解釋如下在第一次采樣的上斜過程中，被測(cè)量1(±Ex)通過開關(guān)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(duì)電容器17充電，充電時(shí)間T1可通過控制邏輯對(duì)可編程計(jì)數(shù)器30置數(shù)N1后的減法計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)N1減為0時(shí)，控制邏輯34通過開關(guān)控制29和極性檢測(cè)與檢零邏輯28切斷開關(guān)6，閉合開關(guān)7(當(dāng)被測(cè)量為-Ex時(shí))或閉合開關(guān)8(當(dāng)被測(cè)量為+Ex時(shí))，接入基準(zhǔn)電壓，對(duì)電容器17進(jìn)行放電，同時(shí)，可編程計(jì)數(shù)器31從0開始進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。
電容器17的電荷一旦放完，檢零器27的輸出使極性檢測(cè)與檢零邏輯28工作，使可編程計(jì)數(shù)器31停止計(jì)數(shù)，得計(jì)數(shù)N2h，這相應(yīng)于下斜時(shí)間T2h。由于雙積分A/D的轉(zhuǎn)換精度不夠，N2h實(shí)際上只反應(yīng)Ex的高位數(shù)。通過第一次采樣，可得表達(dá)式Exh=Es(T2h)/(T1) =Es(N2hτ1)/(N1τ1) = Es(N2h)/(N1) (1)式中，Exh-被測(cè)電壓的高位值;
Es-基準(zhǔn)電壓;
T1-上斜時(shí)間;
T2h-下斜時(shí)間;
τ1-第一次采樣所用的鐘頻周期;
N1，N2h-相應(yīng)為可編程計(jì)數(shù)器30和31中的計(jì)數(shù)脈沖。
經(jīng)過一段休止時(shí)間，即進(jìn)入第二次采樣過程。這時(shí)，可編程計(jì)數(shù)器30中置入數(shù)字N1，31中保留數(shù)字N2h，在可編程計(jì)數(shù)器32中置入數(shù)字m，使上斜時(shí)間T1重復(fù)m次。在上斜過程中，被測(cè)電壓1(假設(shè)為-Ex)通過開關(guān)6接入m個(gè)節(jié)拍，每個(gè)節(jié)拍的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為T1。同時(shí)，基準(zhǔn)電壓2(+Es)通過開關(guān)7也接入m個(gè)節(jié)拍，但在每個(gè)節(jié)拍的開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間為T2h，時(shí)間T1和T2h是通過可編程計(jì)數(shù)器30和31對(duì)預(yù)置數(shù)N1和N2h進(jìn)行減法計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，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(dāng)上斜時(shí)間達(dá)mT1時(shí)，開關(guān)6即被切斷，而開關(guān)7在第m個(gè)節(jié)拍中可輯程計(jì)數(shù)器31減為0時(shí)被切斷。根據(jù)Vo的極性判斷，極性檢測(cè)邏輯28作用于開關(guān)控制29，接通開關(guān)9或10，接入相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓4(+ (Es)/(n) )或5(- (Es)/(n) )，同時(shí)，控制邏輯34使可編程計(jì)數(shù)器33開始計(jì)數(shù)，直至檢零器27的輸出使檢零邏輯28工作，令計(jì)數(shù)器33停止計(jì)數(shù)時(shí)止。這時(shí)，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(gè)節(jié)拍中，通過mN2h的數(shù)字反饋，在本質(zhì)上就是實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)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(jié)果的代數(shù)和，得被測(cè)電壓ExEx＝Exh+Exl＝Es(T2h)/(T1) +Es- (T2l)/(mnT1) (8)在第二次采樣中，上斜時(shí)鐘周期τ1可為下斜時(shí)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(duì)Ex進(jìn)行第一次采樣可獲得高位數(shù)N2h。在第二次采樣中，通過數(shù)字量N2h的反饋和重復(fù)反饋次數(shù)m，而且在下斜時(shí)通過基準(zhǔn)電壓縮小n倍和計(jì)數(shù)鐘頻提高q倍，可使計(jì)數(shù)容量擴(kuò)大mnq倍，從而顯著地提高了轉(zhuǎn)換精度，而轉(zhuǎn)換時(shí)間并不顯著增加。
為提高測(cè)量速度，第一次采樣也可由低精度快速A/D35實(shí)現(xiàn)。所得數(shù)字量也可作為N2h在第二次采樣中進(jìn)行數(shù)字反饋。
圖1中邏輯電路34可用單片機(jī)、單板機(jī)或由分立元件組成邏輯電路;計(jì)數(shù)電路30、31、32和33可用可預(yù)置可逆計(jì)數(shù)器，可編程計(jì)數(shù)器或由單片機(jī)或微機(jī)中的計(jì)數(shù)定時(shí)單元實(shí)現(xiàn)，讀寫存儲(chǔ)器36和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器也可包含在單片機(jī)或單板微機(jī)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(guī)模集成電路。
本發(fā)明與已有的兩次采樣A/D轉(zhuǎn)換器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1.在兩次采樣的第二次采樣過程中，采用由邏輯電路實(shí)現(xiàn)的數(shù)字反饋，精度高，成本低;
2.在一般的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，只需增加若干可編程計(jì)數(shù)器和單片機(jī)或微機(jī)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(dāng)組合參數(shù)m、n和q，可在同一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器上獲得各種精度和各種速度的模-數(shù)轉(zhuǎn)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(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器的功能，從而獲得測(cè)量精度、測(cè)量速度和成本的最佳折衷;
6.易于和計(jì)算機(jī)相連接。
圖1 數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖。
1-輸入電壓±Ex;2-基準(zhǔn)電壓+Es;3-基準(zhǔn)電壓-Es;4-基準(zhǔn)電壓+Es/n;5-基準(zhǔn)電壓-Es/n;6、7、8、99、10-開關(guān);11、12、13、14、15-積分電阻;16-相加點(diǎn);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(shù)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(guān)控制邏輯;30、31、32、33-可編程計(jì)數(shù)器;34-A/D控制邏輯，單片機(jī)或單板機(jī);35-快速A/D轉(zhuǎn)換器;36-只讀存貯器，EPROM;37-隨機(jī)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(zhǔn)電壓波形圖。
權(quán)利要求
1.一個(gè)由積分器、比較器、極性檢測(cè)與檢零邏輯和控制邏輯組成的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器以及由數(shù)字反饋控制邏輯，可編程計(jì)數(shù)器和開關(guān)控制組成的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，本發(fā)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(zhuǎn)換所得的數(shù)字來進(jìn)行數(shù)字反饋以取代巳有兩次采樣A/D轉(zhuǎn)換器中采用高精度D/A轉(zhuǎn)換器的模擬反饋。
2.按照權(quán)項(xiàng)所述的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。其實(shí)現(xiàn)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(shù)字量的全部位數(shù)或部分高位數(shù)預(yù)置在可編程計(jì)數(shù)器N2h中，作為數(shù)字反饋量，以減法計(jì)數(shù)的方式控制基準(zhǔn)電壓對(duì)積分器放電的時(shí)間，而對(duì)另一可編程計(jì)數(shù)器N1預(yù)置一定數(shù)字量后以減法計(jì)數(shù)的方式來計(jì)算被測(cè)量對(duì)積分器充電的時(shí)間，由于數(shù)字反饋進(jìn)行m個(gè)節(jié)拍，第二次采樣下斜時(shí)所用的基準(zhǔn)電壓縮小n倍和所用鐘頻提高q倍，使第一次采樣所得數(shù)字?jǐn)?shù)N2h擴(kuò)展mnq倍，從而提高了A/D轉(zhuǎn)換器的精度。
3.按照權(quán)項(xiàng)1所述的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，其一般精度的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器可用現(xiàn)成商品，如大規(guī)模集成電路雙積分A/D轉(zhuǎn)換器或一般精度的數(shù)字電壓表。
4.按照權(quán)項(xiàng)1所述的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，其控制邏輯可由單片機(jī)、單板機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、大規(guī)模集成電路或分立元件構(gòu)成。
5.按照權(quán)項(xiàng)1所述的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，其可編程計(jì)數(shù)器N1，N2h，m和N2l也可用可預(yù)置可逆計(jì)數(shù)器或用單片機(jī)、單板機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的計(jì)數(shù)單元構(gòu)成，也可制成專用大規(guī)模集成電路。
6.按照權(quán)項(xiàng)1所述的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，其第一次采樣也可用雙積分A/D轉(zhuǎn)換器之外的其他A/D轉(zhuǎn)換器。
7.按照權(quán)項(xiàng)1所述的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，其只讀存儲(chǔ)器和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器也可包含在單片機(jī)、單板機(jī)、微機(jī)系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。
8.按照權(quán)項(xiàng)1所述的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，其模擬電路和數(shù)字電路全部或大部分可集成在一塊或幾塊大規(guī)模集成電路中。
9.按照權(quán)項(xiàng)1所述的數(shù)字反饋式兩次采樣高精度模-數(shù)轉(zhuǎn)換器和按照權(quán)項(xiàng)2所述的數(shù)字反饋方法，可根據(jù)參量m、n和q的不同組合，以實(shí)現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。
專利摘要
數(shù)字反饋式兩次采樣高精度?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器，它基于一般精度的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，在第二次采樣中，通過控制邏輯、可編程計(jì)數(shù)器和開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)數(shù)字反饋。以取代已有兩次采樣A/D轉(zhuǎn)換器中通過高精度D/A轉(zhuǎn)換器所實(shí)現(xiàn)的模擬反饋。與已有的兩次采樣A/D轉(zhuǎn)換器相比。用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字反饋可不用技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的高精度D/A轉(zhuǎn)換器、集成度高、功耗低、精度高、適用性強(qiáng)、價(jià)格低，可用于生產(chǎn)高精度數(shù)字電壓表。
文檔編號(hào)G01R19/25GK87104460SQ87104460
公開日1988年4月27日 申請(qǐng)日期1987年6月25日
發(fā)明者費(fèi)正生 申請(qǐng)人:哈爾濱電工學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan