專(zhuān)利名稱：模擬電壓的數(shù)字化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模擬電壓的數(shù)字化裝置，具體講，它包括一個(gè)第一模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器-通道，用于轉(zhuǎn)換模擬輸入電壓為第一個(gè)較粗略的量化的數(shù)字值，一個(gè)數(shù)字/模擬-轉(zhuǎn)換器，把第一個(gè)數(shù)字值逆轉(zhuǎn)換成模擬電壓，它很接近輸入電壓，一個(gè)差動(dòng)放大器，它求出模擬輸入電壓與逆轉(zhuǎn)換的模擬電壓兩者之差并且有時(shí)予以放大，一個(gè)第二模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器-通道，用于轉(zhuǎn)換在差動(dòng)放大器輸出端的電壓差為第二個(gè)較精細(xì)的量化數(shù)字值，一個(gè)計(jì)算單元，以提高的精度由兩個(gè)數(shù)字值計(jì)算出一個(gè)總的數(shù)字值。
有許多方法可以把模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。所有這些方法都有一個(gè)難題，就是隨著字長(zhǎng)的增加，技術(shù)費(fèi)用急劇增大。例如，采用并行轉(zhuǎn)換法，對(duì)于一個(gè)n-比特-轉(zhuǎn)換器，輸入信號(hào)要與n個(gè)參考電壓相比較。進(jìn)行比較時(shí)所需要的比較器的數(shù)量隨字長(zhǎng)而指數(shù)增加。但是為了使模擬電壓在轉(zhuǎn)換成數(shù)字值時(shí)出現(xiàn)的量化誤差減至最少，卻需要有很大字長(zhǎng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。
眾所周知，為了減少電路費(fèi)用，人們?cè)O(shè)計(jì)了兩極模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。根據(jù)兩極法，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)10-比特-轉(zhuǎn)換器，第一步先并行轉(zhuǎn)換最高位的5個(gè)比特。其結(jié)果表示模擬輸入電壓的粗略量化值。用一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器把取得之?dāng)?shù)字值再逆轉(zhuǎn)換為模擬電壓，并且與輸入電壓相減。然后其電壓差用第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器-通道轉(zhuǎn)換成精密量化數(shù)字值。為了能應(yīng)用相同輸入電壓范圍的兩個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，在一個(gè)二級(jí)10-比特-轉(zhuǎn)換器中電壓差要放大32倍(TietzeSchenk;半導(dǎo)體電路技術(shù)，第九版，第23、8、2節(jié))。在已知的電路中必須對(duì)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的精度提出比較高的要求。但是，高精度的轉(zhuǎn)換器只有用高的技術(shù)費(fèi)用才可實(shí)現(xiàn)，因此是相當(dāng)昂貴的。
本發(fā)明的目的在于，創(chuàng)造一種模擬電壓的數(shù)字化裝置，能夠進(jìn)行高精度的轉(zhuǎn)換，而且只用比較少的費(fèi)用就能實(shí)現(xiàn)。
借助于使數(shù)字/模擬-轉(zhuǎn)換器由一個(gè)脈沖寬度發(fā)生器與連接在它后面的低通濾波器來(lái)組成，而脈沖寬度發(fā)生器提供一個(gè)與第一個(gè)數(shù)字值相應(yīng)的脈沖-寬度-調(diào)制信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明提出的裝置，此數(shù)字/模擬-轉(zhuǎn)換器由一個(gè)可調(diào)脈沖寬度發(fā)生器與一個(gè)連接在它后面的低通濾波器組成，此發(fā)生器借助經(jīng)第一模/數(shù)轉(zhuǎn)換器-通道粗略量化的第一個(gè)數(shù)字值進(jìn)行調(diào)整。在低通濾波器的輸出端輸出一個(gè)由數(shù)字值逆轉(zhuǎn)換成的模擬電壓，此電壓相當(dāng)于粗略量化的輸入電壓。此電壓與輸入電壓之差，有時(shí)也被放大，被送入第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器-通道，從而產(chǎn)生第二個(gè)數(shù)字值，這個(gè)數(shù)字值比輸入端的量化要精細(xì)很多。由這兩個(gè)數(shù)字值可以算出一個(gè)精確的總結(jié)果。用輸出端接有低通濾波器的脈沖寬度發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)換。這種裝置的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了一種價(jià)格很便宜、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)榭梢苑艞壘纫蠛芨叩某Ｒ?guī)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器所致。當(dāng)按本發(fā)明制造的裝置用在含有微計(jì)算機(jī)的電路時(shí)，其優(yōu)點(diǎn)將表現(xiàn)得特別突出，因?yàn)樵谶m用的微計(jì)算機(jī)中已經(jīng)有了多輸入通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和脈沖寬度發(fā)生器。
為了轉(zhuǎn)換模擬輸入電壓和轉(zhuǎn)換差動(dòng)放大器輸出端的差值電壓，可以分別使用兩個(gè)獨(dú)立的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。但是，為了盡量減少電路技術(shù)的費(fèi)用，也有可以用一個(gè)前面接有一多路轉(zhuǎn)接器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器取代兩個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器。于是模擬輸入信號(hào)和差值電壓將交替加在該模/數(shù)轉(zhuǎn)換器上。
把一個(gè)作為倒相放大器連接的運(yùn)算放大器用作差動(dòng)放大器對(duì)整個(gè)電路是很有利的。為了平衡補(bǔ)償電壓，有必要安裝一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置，它能夠把倒相放大器的倒相輸入端或總輸入端置于接地電位。如果使用的是單極型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，為平衡補(bǔ)償電壓應(yīng)調(diào)整脈沖寬度發(fā)生器，使低通濾波器的輸出端或運(yùn)算放大器的非倒相輸入端有一小的正電壓，但是其值應(yīng)大于補(bǔ)償電壓。于是不管補(bǔ)償電壓是正是負(fù)運(yùn)算放大器的輸出端總有一正電壓。然后可以用第二模/數(shù)轉(zhuǎn)換器-通道從運(yùn)算放大器輸出端出現(xiàn)的電壓求出補(bǔ)償電壓，進(jìn)行數(shù)字化并計(jì)算出總結(jié)果。
對(duì)于差動(dòng)放大器是一個(gè)作為非倒相放大器連接的運(yùn)算放大器的情況，為了平衡補(bǔ)償電壓可以連接一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置，這個(gè)裝置能把運(yùn)算放大器的非倒相輸入端或者總輸入端與一個(gè)參考電壓連接，使模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在線性范圍工作。然后為平衡補(bǔ)償電壓調(diào)整脈沖寬度發(fā)生器，使低通濾波器輸出端有一很小的輸出電壓。
在選擇適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷簳r(shí)，也可以進(jìn)行終值平衡。人們也可以把用多個(gè)放大器元件組成的電路裝置作為倒相或者非倒相差動(dòng)放大器使用。
因?yàn)榧夹g(shù)上無(wú)法實(shí)現(xiàn)理想的低通濾波器，所以低通濾波器輸出端的模擬電壓帶有波紋度。因此人們可以對(duì)差動(dòng)放大器輸出端的電壓作多次取樣，并由取樣值求出模/數(shù)轉(zhuǎn)換的平均值。借助求平均值可以進(jìn)一步減少基于輸入信號(hào)電壓起伏引起的測(cè)量誤差。
此電壓與脈沖寬度發(fā)生器的脈沖-寬度-調(diào)制信號(hào)同步取樣是有益的。由最少兩個(gè)相互之間時(shí)間相差脈沖寬度調(diào)制信號(hào)半個(gè)周期長(zhǎng)度的取樣值求出平均值，這個(gè)值與一個(gè)理想低通濾波器的輸出信號(hào)非常接近，此低通濾波器也可以全部或者部分的與差動(dòng)放大器集成在一起并且/或者接在它的后面。
下面參照電路圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施實(shí)例。


圖1為模擬電壓數(shù)字化裝置的方框圖，其中運(yùn)算放大器作為倒相放大器連接。
圖2為脈沖寬度調(diào)制信號(hào)和低通濾波器輸出信號(hào)的電壓曲線。
圖3為模擬電壓數(shù)字化裝置的電路圖，其中運(yùn)算放大器作為非倒相放大器連接。
本模擬電壓數(shù)字化裝置有一個(gè)前面接有多路轉(zhuǎn)接器3的10-比特模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器1。多路轉(zhuǎn)接器3的第一個(gè)輸入端5經(jīng)電壓跟隨器7與作為多路轉(zhuǎn)接器使用的開(kāi)關(guān)裝置11的輸出端9相連接。在開(kāi)關(guān)裝置11的一個(gè)輸入端13接上待轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的模擬輸入電壓Ue，而另一個(gè)輸入端15與地電位連接?？刂凭€17可使兩個(gè)信號(hào)輸入端13，15相互轉(zhuǎn)接。此外，本模擬電壓數(shù)字化裝置還有一個(gè)可調(diào)脈沖寬度發(fā)生器18，它與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器1、多路轉(zhuǎn)接器5和計(jì)算單元6都是微計(jì)算機(jī)20的組成部分?？烧{(diào)脈沖寬度發(fā)生器18的輸出端22與電子開(kāi)關(guān)元件26的信號(hào)輸入端24連接。電子開(kāi)關(guān)元件26具有如下性能，當(dāng)脈沖寬度調(diào)制器18的輸出端的電壓是邏輯“1”時(shí)，在它的信號(hào)輸出端28有一參考電壓是Vref，和當(dāng)脈沖寬度發(fā)生器的輸出端的電壓是邏輯“0”時(shí);信號(hào)輸出端處于地電位。電子開(kāi)關(guān)元件的輸出端28經(jīng)低通濾波器30與差動(dòng)放大器34的輸入端之一32連接，其另一個(gè)輸入端37與電壓跟隨器7的輸出端連接。差動(dòng)放大器34是由一個(gè)作為倒相放大器連接的運(yùn)算放大器36與在其輸入支路中的電阻R1和反饋電阻R2組成。由電阻R1，R2決定的倒相放大器的放大倍數(shù)是32。倒相放大器的輸出端38與在微計(jì)算機(jī)20內(nèi)的多路轉(zhuǎn)接器3的第二個(gè)信號(hào)輸入端40連接。此外，微計(jì)算機(jī)20還含有圖1中沒(méi)有示出的控制和計(jì)算單元，這些單元還能經(jīng)導(dǎo)線17控制多路轉(zhuǎn)接器11。
下面將說(shuō)明本裝置的功能。待轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的模擬輸入電壓Ue在模/數(shù)轉(zhuǎn)換器2中被轉(zhuǎn)換成一個(gè)粗略量化的數(shù)字值。計(jì)算單元6把脈沖寬度發(fā)生器調(diào)到這個(gè)粗略量化的數(shù)字值，使低通濾波器30的輸出端出現(xiàn)一個(gè)與輸入電壓相對(duì)應(yīng)的然而只是粗略量化的模擬電壓。差動(dòng)放大器34給出模擬輸入電壓Ue與低通濾波器輸出端電壓之間的電壓差，差動(dòng)被大器34輸出端38給出的電壓差在第二個(gè)工作節(jié)拍經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器2重新數(shù)字化。然后，在計(jì)算單元6中，由第一個(gè)粗略量化的數(shù)字值和第二個(gè)精密量化的數(shù)字值算出精確的數(shù)字值，此值對(duì)應(yīng)于模擬輸入電壓。
為了平衡補(bǔ)償電壓，在開(kāi)關(guān)裝置11的控制導(dǎo)線17上加上一控制信號(hào)，使倒相放大器34的輸入端37在補(bǔ)償誤差范圍內(nèi)達(dá)到接地電位。由微計(jì)算機(jī)中的控制單元可調(diào)脈沖寬度發(fā)生器18，使低通濾波器30的輸出端有一小的正電壓。只要正額定電壓大于補(bǔ)償電壓，就可以不受補(bǔ)償電壓的正負(fù)極性的影響，由低通濾波器30輸出端予先給定的已知額定電壓和在差動(dòng)放大器34的輸出端38處出現(xiàn)的電壓求出補(bǔ)償電壓，并且在計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算時(shí)將其考慮在內(nèi)。
為了提高轉(zhuǎn)換器的精度，可以對(duì)差動(dòng)放大器34輸出端的差值電壓進(jìn)行多次的取樣，并且由取樣值求出平均值，從而使由電壓起伏引起的誤差大大減少。
但是，誤差也可能因低通濾波器30沒(méi)有理想的低通特性所致。在低通濾波器30的輸出端，并且從而也在差動(dòng)放大器34的輸出端38實(shí)際上沒(méi)有穩(wěn)定的直流電壓，而是在直流電壓42上疊加一正弦電壓44，其頻率對(duì)應(yīng)于脈沖寬度調(diào)制信號(hào)46的頻率。脈沖寬度調(diào)制信號(hào)46的曲線和差動(dòng)放大器34輸出端38的電壓44的曲線都在圖2中示出。
模擬信號(hào)44的取樣與脈沖寬度調(diào)制信號(hào)46同步進(jìn)行對(duì)數(shù)字化轉(zhuǎn)換是有益的。由兩個(gè)相互時(shí)間錯(cuò)位相差脈沖寬度調(diào)制信號(hào)46半個(gè)周期T/2長(zhǎng)度的取樣值48，50經(jīng)計(jì)算單元6算出平均值，它與理想的直流電壓42非常接近。
圖3示出模擬電壓數(shù)字化裝置的另一實(shí)施實(shí)例。圖3的裝置與圖1裝置的區(qū)別在于使用了非倒相放大器34′。此外，在位于信號(hào)輸入端的開(kāi)關(guān)裝置11的第二個(gè)輸入端15處連接一個(gè)具有正參考電壓Vref的參考電壓源52，為了平衡補(bǔ)償電壓，在開(kāi)關(guān)裝置11的控制導(dǎo)線17上加一控制信號(hào)，使參考電壓Vref加到運(yùn)算放大器36′的輸入端37′上，并且調(diào)整脈沖寬度發(fā)生器18，使低通濾波器30輸出端上的電壓達(dá)到很小。然后補(bǔ)償電壓可以由差動(dòng)放大器輸出端的電壓求得。由于非倒相放大器的輸入端為高阻，所以，在這個(gè)實(shí)施實(shí)例中可以放棄信號(hào)輸入端的電壓跟隨器。
權(quán)利要求
1.模擬電壓數(shù)字化裝置，包括-一個(gè)第一模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器-通道(5，1)，用于轉(zhuǎn)換模擬輸入電壓(Ue)為第一個(gè)較粗略的量化的數(shù)字值，-一個(gè)數(shù)字/模擬-轉(zhuǎn)換器(4)，把第一個(gè)數(shù)字值逆轉(zhuǎn)換成模擬電壓，它很接近輸入電壓(Ue)，-一個(gè)差動(dòng)放大器(34，34′)，它求出模擬輸入電壓(Ue)與逆轉(zhuǎn)換的模擬電壓兩者之差并且有時(shí)予以放大，-一個(gè)第二模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器-通道(40，1)，用于轉(zhuǎn)換在差動(dòng)放大器(34)輸出端(38)的電壓差為第二個(gè)較精細(xì)的量化數(shù)字值，-一個(gè)計(jì)算機(jī)單元(6)，以提高的精度由兩個(gè)數(shù)字值計(jì)算出一個(gè)總的數(shù)字值，其特征在于-數(shù)字/模擬-轉(zhuǎn)換器(4)是由一個(gè)脈沖寬度發(fā)生器(18)與連接在它后面的低通濾波器(30)組成，而脈沖寬度發(fā)生器(18)提供一個(gè)與第一個(gè)數(shù)字值相應(yīng)的脈沖-寬度-調(diào)制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，第一和第二模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器-通道(2)是由唯一的一個(gè)模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器(1)與接在它前面的多路轉(zhuǎn)接器(3)組成的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述裝置，其特征在于，差動(dòng)放大器(34)是一個(gè)作為倒相放大器連接的運(yùn)算放大器(36)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2之一所述裝置，其特征在于，差動(dòng)放大器(34′)是一個(gè)作為非倒相放大器連接的運(yùn)算放大器(36′)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于，使用了開(kāi)關(guān)裝置(11)，用此裝置輸入端(8，37′)可以設(shè)置在接地電位，以便借助用第二模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器-通道測(cè)量的信號(hào)和脈沖寬度發(fā)生器的調(diào)整來(lái)確定補(bǔ)償電壓誤差并且在計(jì)算單元(6)中進(jìn)行均衡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的裝置，其特征在于用了一個(gè)開(kāi)關(guān)裝置(11，11′)，用此裝置輸入端(8，37′)可以加上參考電壓(Vref)，以便借助用第二模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器-通道測(cè)量的信號(hào)和脈沖寬度發(fā)生器的調(diào)整來(lái)確定補(bǔ)償誤差和/或終值誤差，并且在計(jì)算單元(6)中進(jìn)行均衡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的裝置，其特征在于，在差動(dòng)放大器(34，34′)輸出端(38)處的差值電壓被多次取樣并且為模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換由取樣值求出平均值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的裝置，其特征在于，差值電壓的模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換與脈沖寬度發(fā)生器(18)的脈沖-寬度-調(diào)制信號(hào)同步進(jìn)行。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的裝置，其特征在于，低通濾波器(30)全部或部分地與差動(dòng)放大器(34，34′)集成在一起。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的裝置，其特征在于，脈沖寬度發(fā)生器(18)和/或多路轉(zhuǎn)接器(3)和/或模擬/數(shù)字-轉(zhuǎn)換器(1)都是微計(jì)算機(jī)(20)的組成部分。
全文摘要
本模擬電壓的數(shù)字化裝置中，第一模擬/數(shù)字—轉(zhuǎn)換器—通道把模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成一個(gè)粗略量化的數(shù)字值。由可調(diào)脈沖寬度發(fā)生器和連接在其后的低通濾波器組成的數(shù)字/模擬—轉(zhuǎn)換器，把已取得的數(shù)字值逆轉(zhuǎn)換成模擬電壓。此外，本裝置還有一個(gè)差動(dòng)放大器。放大器的輸出電壓差經(jīng)第二模擬/數(shù)字—轉(zhuǎn)換器—通道轉(zhuǎn)換成精密量化的數(shù)字值。
文檔編號(hào)H03M1/16GK1095530SQ9410428
公開(kāi)日1994年11月23日 申請(qǐng)日期1994年4月20日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月20日
發(fā)明者N·羅爾夫, R·羅爾夫 申請(qǐng)人:萊博德股份公司