自適用控制A/D轉換編碼電路的設計與應用

利用電子開(kāi)關(guān)S8和S9分別將基準電壓+VR和-VR加到運放的反相輸入端,可在放大階段結束后接著(zhù)對輸出信號進(jìn)行循環(huán)編碼式A/D轉換。A/D轉換電路的參考基準電源VR=+5V,它同時(shí)也代表放大電路的滿(mǎn)刻度值。主運放OP1的反相放大倍數為-1,同相放大倍數為2。

在循環(huán)編碼過(guò)程中,S7、S11和S6、S10兩組開(kāi)關(guān)輪流切換,以完成信號的循環(huán)傳遞。整個(gè)循環(huán)編碼過(guò)程中的誤差仍然是自動(dòng)補償的,這里不再贅述。在OP1的輸出端接了一個(gè)極性檢測器OP2.放大階段結束時(shí),運放OP1輸出被用于循環(huán)放大后的信號（已保存于C1或C2中）,極性檢測器OP2同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制編碼B0,它表示被編碼電壓的極性,即A/D轉換結果的二進(jìn)制編碼的符號位。各編碼周期的二進(jìn)制編碼輸出位Bi及S8、S9的狀態(tài)選擇邏輯如下：

Vo(i)>0時(shí),取Bi=1,下次S8閉合,基準源+VR加到運放反相輸入端,運放執行以下運算：

Vo(i+1)=2Vo(i)-VR

Vo(i)0時(shí),取Bi=0,下次S9閉合,基準源-VR加到運放反相輸入端,則執行：

Vo(i+1)=2Vo（i）+VR

轉換結果為二進(jìn)制小數形式,Bo為二進(jìn)制編碼結果的符號位,B1至BN分別表示最高至最低位數值位。B0=1時(shí),被測信號為正,B1至BN表示轉換結果的原碼;B0=0時(shí),被測信號為負,B1至BN為二進(jìn)反碼形式。每轉換一位需要一個(gè)控制周期,轉換的總周期數決定了A/D轉換的分辨率。需指出,上述循環(huán)編碼A/D轉換電路與普通逐次逼近式A/D轉換在理論上是一致的（證明過(guò)程略）。

3 時(shí)序控制電路設計

該電路還需設計一個(gè)時(shí)序控制電路與之配合,以產(chǎn)生各操作周期所必需的時(shí)鐘節拍。一次完整操作最多需33個(gè)時(shí)鐘節拍。圖2給出了模擬開(kāi)關(guān)的控制時(shí)序?？刹捎猛ㄓ瞄T(mén)器件或可編程門(mén)陣列構成的硬件時(shí)序邏輯電路來(lái)實(shí)現,也可應用微處理器控制產(chǎn)生所需時(shí)序。硬件實(shí)現圖2的控制時(shí)序可獲得較高的整機速度,約為幾μs～μs。這主要取決于采樣保持器及硬件時(shí)序邏輯電路的工作速度 。用微處理器產(chǎn)生所需時(shí)序時(shí),完成圖2所示的一個(gè)時(shí)鐘節拍的電子開(kāi)關(guān)狀態(tài)設定約需數條至十數條指令周期,因而速度較低。因此只適用于500μs左右的低速數據采集系統。

某離子濃度測定儀的循環(huán)放大與編碼電路采用了8031單片機控制接口電路,應用P1口輸出8位控制數據以控制S1～S11,T0、T1接8031的狀態(tài)測試端。為提高程序執行效率,提高電路工作速度,程序設計采用簡(jiǎn)單的順序執行方式,這種方式所實(shí)現的圖2時(shí)序控制周期可能是非等時(shí)間間隔的,但這不會(huì )影響控制時(shí)序的執行性能。單片機系統時(shí)鐘為6MHz,指令周期TCY=2μs,一次數據采集轉換約需要390個(gè)TCY,即約需時(shí)780μs。

4 結束語(yǔ)

在本文所述的自適應控制A/D轉換編碼電路中,A/D轉換編碼與信號放大共用一套電路,工作過(guò)程由數字電路或微處理器控制,結構簡(jiǎn)單,對信號的自適應能力強,可實(shí)現自動(dòng)增益控制、失調與溫漂的自動(dòng)補償、A/D轉換循環(huán)編碼控制,工作穩定可靠。在中速以下數據測量應用場(chǎng)合,該電路具備較高的性能價(jià)格比,特別適宜于各種單片機智能儀器、移動(dòng)型微數字檢測設備及虛擬儀器系統使用。在實(shí)際應用中,應注意采樣保持誤差對系統精度的影響。用微處理器生成控制時(shí)序時(shí),由于周期較長(cháng),因而應選用低頂降率的采保器,采用其它硬件電路產(chǎn)生控制時(shí)序時(shí),周期較短,則應選用低獲取時(shí)間的采保器。

在某離子濃度測定儀的應用實(shí)例中,其輸入信號為30μV～200mV,A/D轉換字長(cháng)為12位,平均信號處理時(shí)間為600μs。OP1與OP2筆者選用AD707極低漂移運放（偏置電壓15μV、偏置電壓漂移0.1μV/℃、噪聲0.1μVp-p、回轉率0.1V/μs）,OP3與OP4選用LM339普通集電極開(kāi)路輸出型比較器（失調2mV）,A1與A2選有SMP-04EP經(jīng)濟型采保器（精度0.01%、獲取時(shí)間7μs、頂降率為0.025μV/μs）。