自適用控制A/D轉換編碼電路的設計與應用

摘要：本文介紹了一種自適應控制A/D轉換編碼電路,著(zhù)重分析了調理電路自動(dòng)增益控制、誤差補償與A/D轉換編碼原理,探討了該電路的局限性,給出了自適應控制A/D轉換編碼電路設計方案及其與微處理器的接口應用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)增益控制 自適應控制 誤差補償 A/D轉換 微處理器

在數據采集系統中,通常需要盡量將模擬信號子樣放大到接近A/D轉換電路的滿(mǎn)度值,以充分利用A/D轉換器的分辨能力。然而,在某些應用領(lǐng)域,一方面信號子樣有效幅值輸入范圍較小,另一方面信號又極其微弱,因此,一般需要調理電路具備100dB以上的信號放大能力,而運放和采樣裝置引入的失調可能高達100～200μV,同時(shí)還具有一定的時(shí)、熱漂移。而在某些應用領(lǐng)域,信號子樣有效幅值輸入范圍又可能較大。顯然,固定增益信號調理電路無(wú)法兼顧對上述兩類(lèi)信號子樣的高分辨率A/D轉換。為提高信號調理電路對信號的自適應能力,設計者往往希望系統能根據信號的強弱自動(dòng)調整增益并實(shí)現高保真信號調理。本文介紹一種采用自適應控制A/D轉換編碼電路來(lái)實(shí)現信號自適應調理的方法。該方法同時(shí)具有自動(dòng)增益控制、失調與溫漂自動(dòng)補償和A/D轉換編碼控制等功能。

1 自動(dòng)控制循環(huán)放大及誤差補償

利用圖1所示電路可直接完成對±10μV～±5V信號的自動(dòng)增益放大并實(shí)現12位A/D轉換編碼,并在信號調理過(guò)程中使增益隨信號的強弱自動(dòng)調節,運放失調誤差可被自動(dòng)補償,從而實(shí)現極高的信噪比。該電路主要由模擬開(kāi)關(guān)S1～S10、運放OP1與OP2（主放大器、精密電平比較器）、比較器OP3與OP4、精密電阻R1～R3及Rf、采樣保持器A1與A2構成。OP1與OP2選擇低漂移運放,OP3、OP4為普通集電極開(kāi)路輸出比較器。電路工作過(guò)程為信號及誤差采樣、自動(dòng)增益控制循環(huán)放大和循環(huán)編碼A/D轉換3個(gè)階段。

1.1 信號及誤差采樣

一般放大電路主要存在三個(gè)誤差：主運放OP1的失調誤差E0、采保器A1與A2的誤差E1和E2。E0、E1及E2均折算于OP1同相輸入端。

在第1采樣周期,開(kāi)關(guān)S1、S4及S10閉合,其它斷開(kāi)。電路完成對E0、E1的采樣。OP1同相組態(tài)增益K1=1+Rf/R1=7/4。此周期結束后,采保器A1的輸出電壓為：

Vp=(7/4)E0+E1

在第2采樣周期,開(kāi)關(guān)S2、S7及S11閉合,其它斷開(kāi)。OP1同相組態(tài)增益K2=1+Rf/R2=2。這時(shí)第一采樣周期輸出Vp被放大,同時(shí)再計入E0、E1的影響,采保器A2的輸出電壓為：

VQ=2Vp+2E0+E2

輸入信號采樣過(guò)程在第3周期內完成。此時(shí),開(kāi)關(guān)S3、S5及S10閉合,其它斷開(kāi)。對誤差電壓VQ而言,OP1呈反相組態(tài),反相增益K3=-（Rf/R3）=-（2/3）。對信號子樣VE,OP1呈同相組態(tài),同相增益K4=1-K3=5/3。此周期結束后,電容C1上的電壓為：

VM=（5/3）VE+（5/3）E0-（2/3）VQ