CN103457605A - 一种高精度模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度模数转换器，该模数转换器包括：可调恒流源、开关阵列、高速积分器、前馈比较器、光电隔离器、脉宽测量电路、自稳零积分器、斩波比较器、斩波积分器、自稳零比较器、调零控制器、自校准电路，校准控制器、时钟电路以及主控制器；主控制器控制脉宽测量电路对通过光电隔离器传来的三个脉冲宽度进行测量，合成被测电压的U_X值，U_X=U_R（T₀+T₁+T2）/2²⁵，U_R表示基准电压，准确度优于1×10^-7。本发明的高精度模数转换器的分辨率为8位半，满度误差为±0.0001%，达到国际同类产品的先进水平。本发明广泛应用于6位半到8位半的数字多用表中，还用在高准确度的数字采集器上和高端仪器仪表中；提高我国相关行业产品在国际和国内市场中的竞争力，节省了外汇。

Description

一种高精度模数转换器

技术领域

本发明属于数字信号处理领域，更具体地，涉及一种高精度模数转换器。

背景技术

进入21世纪后，人类社会已全面进入信息时代，信息产业成为了现代社会最重要的支柱和最主要的产业，伴随着半导体技术、数字信号处理技术及通信技术的飞速发展，A/D、D/A转换器近年也呈现高速发展趋势。A/D转换器是现代测量技术最最基础的、最重要的组成部分。它由分离器件到大规模集成电路发展了几十年，其准确度、线性、速度和分辨率也在逐步提高。

A/D转换器可分成两大类，一类是直接型A/D转换器，另一类是间接型A/D转换器。在直接型A/D转换器中，输入的模拟电压被直接转换成数字代码，不经任何中间变量；在间接型A/D转换器中，首先把输入的模拟电压，转换成某种中间变量（如时间、频率、脉冲宽度等），然后再把中间变量转换成数字代码输出。直接型A/D转换器包括电荷分配型A/D转换器、反馈比较型A/D转换器和非反馈比较型A/D转换器三种。其中，反馈比较型A/D转换器又包括逐次逼近式A/D转换器和跟踪技术式A/D转换器两种；非反馈比较型A/D转换器包括串联方式A/D转换器、并联方式A/D转换器和串并联方式A/D转换器三种。间接型A/D转换器包括电压时间变换型A/D转换器和电压频率型A/D转换器两种，其中电压时间变换型A/D转换器包括单积分型A/D转换器、双积分型A/D转换器、多重积分型A/D转换器和脉冲调制积分型A/D转换器等四种。

AD转换器的技术指标有很多，有分辨率(Resolution)、满刻度误差(FullScale Error)、转换速率(Conversion Rate)、量化误差(Quantizing Error)、偏移误差(Offset Error)、线性度(Linearity)、绝对精度(Absolute Accuracy)、相对精度(Relative Accuracy)、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真（TotalHarmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性等。但最主要的指标是分辨率和满刻度误差。分辨率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2ⁿ的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。满刻度误差(Full Scale Error)是满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

目前A/D转换器技术的主要情况如下：

一、逐次比较型：逐次比较型A/D是目前应用最广泛的A/D转换器。逐次比较型A/D由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始，顺序地对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低。

（1）如ADC1143逐次比较型转换器，其分辨率为16位，转换满度误差为0.06%；价格很高。

（2）逐次逼近型16位低功耗模数转换器MAX1166，该转换器内带4.096Ｖ精密参考源。采样频率：165ksps；最大线性误差±2LSB，16位无误码；价格较高。

（3）16位串行A/D转换器MAX195是MAXIM公司推出的16位逐次逼近型A/D转换器，具有体积小、功耗低、转换速度快、精度高等优点。串行接口的特点使其与微控制器直接相连，大大简化了输入通道的设计。分辨率为16位；具有三态串行数据输出口，与SPI／QSPI和Microwlre兼容；能够单极性和双极性模拟输入；转换时间最小值为9.4μs；采样速率为100000次／s；积分非线性误差为±0.003%FSR；最大微分非线性误差为±0.00156%。价格比前两者便宜。

二、积分型A/D转换器：积分型A/D是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低。初期的单片A/D转换器大多采用积分型，现在逐次比较型已逐步成为主流。例如ICL7135积分型A/D转换器分辨率为4位半，转换满度误差为0.01%；再如AD7555分辨率为5位半，转换满度误差为0.01%。

三、并行比较型/串并行比较型：并行比较型A/D采用多个比较器，仅作一次比较而实行转换，又称FLash(快速)型。由于转换速率极高，n位的转换需要2n-1个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频A/D转换器等速度特别高的领域。

串并行比较型A/D结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由2个n/2位的并行型A/D转换器配合D/A转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现A/D转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型A/D，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型A/D，现代的分级型A/D中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这类AD速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。

TLC5510是美国TI公司生产的新型模数转换器件（ADC），它是一种采用CMOS工艺制造的8位高阻抗并行A/D芯片，能提供的最小采样率为20MSPS。由于TLC5510采用了半闪速结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时能够保持较低的功耗。在推荐工作条件下，TLC5510的功耗仅为130mW。分辨率为8位，满度误差为0.4%。

四、压频变换型：压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种A/D的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低、但是需要外部计数电路共同完成A/D转换。

AD652是美国模拟器件公司研制的一种单片、高速、多功能同步V/F转换器。它是AD651的更新产品，管脚排列和功能与AD651完全兼容。主要特点有：工作频率高，最高满度频率可达1MHz，转换的准确度决定于外接时钟频率的稳定度；线性误差极低，在输出满度频率1MHz时，非线性误差为0.002%；片内有低漂移的SV基准源和低温度系数的定标电阻，使该片增益漂移小于15ppm；输入时钟与TTL和CMOS兼容；开路集电极输出级提供灵活、足够驱动TTL和CMOS的电流；可以与光电藕合器和脉冲变压器接口；仅需外接一个积分电容就可以工作；AD652除作Y/F转换外，还可以实现同步F/V转换。

五、Σ-Δ(Sigma-delta)调制型：Σ-Δ型A/D由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。

如美国ANALOG DEVICE公司最近推出的低价、高分辨率A/D器件AD7711A采用了Δ-∑原理，可实现高达24位（二进制）的分辨率。由于Δ-∑原理采用了过采样、等技术，可用较低的成本实现很高的分辨率，并且噪声小、抗干扰能力强，高精度，24位（二进制）无漏码，输出±0.0015%的非线性。

综上所述，当前A/D转换器的最高分辨率为24位、最高满度误差为±0.0015%。分离器件和传统的ADC无法超越上述分辨率和最高满度误差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高精度的模数转换器。

本发明提供了一种高精度模数转换器，包括：依次连接的可调恒流源、开关阵列、高速积分器、前馈比较器、光电隔离器和脉宽测量电路，与所述开关阵列连接的自稳零积分器、其一端与自稳零积分器连接另一端与光电隔离器连接的斩波比较器，与所述开关阵列连接的斩波积分器、其一端与斩波积分器连接另一端与光电隔离器连接的自稳零比较器，与所述开关阵列连接的调零控制器、与所述开关阵列连接的自校准电路，与自校准电路连接的校准控制器，与脉宽测量电路连接的时钟电路，与可调恒流源、开关阵列、脉宽测量电路和校准控制器均连接的主控制器；

所述主控制器控制开关阵列将调零控制器的信号连接至斩波积分器，对模数转换器的零点进行积分测量，并通过自稳零比较器测出零点值脉冲宽度T₀；

所述主控制器控制开关阵列将被测信号U_X连接至高速积分器，对被测信号U_X的高位进行积分测量，并通过前馈比较器测出被测信号U_X的高位值脉冲宽度T₁；

所述主控制器控制开关阵列将被测信号U_X连接至自稳零积分器，对被测信号U_X的低位进行积分测量，并通过斩波比较器测出被测信号U_X的低位值脉冲宽度T2；

所述主控制器控制脉宽测量电路对通过光电隔离器传来的三个脉冲宽度进行测量，合成被测电压的U_X值，U_X=U_R（T₀+T₁+T₂）/2²⁵，所述U_R表示基准电压。

更进一步地，高位值脉冲宽度T₁的范围为0—32768；低位值脉冲宽度T2的范围为0—16384。

更进一步地，所述开关阵列由集成模拟开关器件组成。

更进一步地，所述脉宽测量电路包括三个16位计数器，分别用于测量零点值脉冲宽度T₀，高位值脉冲宽度T₁和低位值脉冲宽度T2的脉宽值。

更进一步地，所述模数转换器还包括用于提供多种隔离电源的电源电路。

本发明可以广泛应用于6位半到8位半的数字多用表中，还可以用在高准确度的数字采集器上和高端仪器仪表中。提高我国相关行业产品在国际和国内市场中的竞争力，打破美国的垄断，节省了外汇。本发明的高精度模数转换器的分辨率为8位半，满度误差为±0.0001%，达到国际同类产品的先进水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的模数转换器的模块结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的模数转换器打破了国外的垄断在高端仪器的垄断，可以广泛应用于6位半道8位半的数字多用表中，还可以用在高准确度的数字采集器上和高端仪器仪表中。对我国工农业生产、产品质量监督、教育和国防都有重大意义。必将能带来巨大的经济效益和社会效益。图1示出了本发明实施例提供的模数转换器的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

模数转换器包括：依次连接的可调恒流源101、开关阵列102、高速积分器103、前馈比较器104、光电隔离器115和脉宽测量电路110，与所述开关阵列102连接的自稳零积分器107、其一端与自稳零积分器107连接另一端与光电隔离器115连接的斩波比较器108，与所述开关阵列102连接的斩波积分器111、其一端与斩波积分器111连接另一端与光电隔离器115连接的自稳零比较器112，与所述开关阵列102连接的调零控制器106、与所述开关阵列102连接的自校准电路114，与自校准电路114连接的校准控制器113，与脉宽测量电路110连接的109，与可调恒流源101、开关阵列102、脉宽测量电路110和校准控制器113均连接的主控制器105；主控制器105控制开关阵列102将调零控制器106的信号连接至斩波积分器111，对模数转换器的零点进行积分测量，并通过自稳零比较器112测出零点值脉冲宽度T₀；主控制器105控制开关阵列102将被测信号U_X连接至高速积分器103，对被测信号U_X的高位进行积分测量，并通过前馈比较器104测出被测信号U_X的高位值脉冲宽度T₁；主控制器105控制开关阵列102将被测信号U_X连接至自稳零积分器107，对被测信号U_X的低位进行积分测量，并通过斩波比较器108测出被测信号U_X的低位值脉冲宽度T2；主控制器105控制脉宽测量电路110对通过光电隔离器115传来的三个脉冲宽度进行测量，合成被测电压的U_X值，U_X=U_R（T₀+T₁+T₂）/2²⁵，其中，基U_R表示基准电压，准确度优于1×10^-7，T1值的范围为0—32768，即二进制13位，T₂值的范围为0—16384，即二进制12位。

在本发明实施例中，模数转换器还包括用于提供多种隔离电源的电源电路116；该电源电路116保证各路电源不受因模数转换器运行所产生的干扰的影响。

本发明的高精度模数转换器可以应用到高精度数字多用表、高准确度的数字采集器、高端计量测试仪表中。使其直流电压、直流电流、电阻的测量分辨率达到8位半，准确度达到0.0001%；使其交流电压、交流电流测量分辨率达到7位半，准确度达到0.005%。

在本发明实施例中，T₁的值最大为32768，T2的值最大为16384，T₀的值是整个模数转换器的零点，其值很小。通过这种测量，测量值高位最大值可超过19999（十进制），低位最大可超过9999（十进制），整体分辨率可超过199999999，达到了分辨率的要求。另外，从U_X=U_R（T₀+T₁+T2）/2²⁵可以看出，被测值U_X准确度取决于基准值U_R准确度和脉冲宽度T₀、T₁、T2的准确度。T₀、T₁、T2的准确度为±1/199999999=5×10^-9。因此，只要基准U_R准确度优于1×10^-7，就能保证模数转换器的满度误差优于±0.0001%。

本发明实施例提供的模数转换器具有自校准功能，主控制器105通过开关阵列102自校准电路114接到三个积分器（103、107、111）上，可以对整个模数转换器进行自校准，从而保证模数转换器稳定、可靠、准确运行。

在本发明实施例中，可调式恒流源101作为积分器的积分电流，使其积分速度快、线性度好、可靠性高。高速积分器103和高速前馈比较器104，使模数转换器的翻转误差降到最低。自稳零积分器107和斩波比较器108，用于测量被测信号的低位值，降低了噪声，提高了分别率。斩波积分器111和自稳零比较器112，用于测量模数转换器的零点信号，将小信号变成大信号进行测量，降低了噪声，提高了灵敏度。

主控制器105由高速可编程器件组成；用于控制整个模数转换器高速、协调、稳定运行。主控制器105包括：单片机AT89C2051和复位控制芯片IMP813组成系统，主要对整体转换器进行按着要求逐步进行。

光电隔离器115由多片高速光耦组成；保证了数字电路和模拟电路完全隔离，降低了模数转换器的噪声，提高了可靠性；光电隔离器115具体包括：由两片高速光电耦合器件HVPL-2430和高速整形器件74AC14，能够把脉冲宽度信号传送到脉宽测量电路。

开关阵列102为高速智能开关阵列，提高了A/D转换的速度，降低了因转换慢带来的误差。开关阵列102所述开关阵列102由集成模拟开关器件ADG1411组成，导通电阻低，速度高，控制简单，成本低，便于批量生产。

高速脉宽测量电路110保证模数转换器的分辨率优于199999999；脉宽测量电路110包括：由INTEL82C54组成宽测量电路，它具有三个16位计数器，分别用于测量零点值脉冲宽度T₀，高位值脉冲宽度T₁和低位值脉冲宽度T2的脉宽值。

自校准电路114可以对整个模数转换器进行自校准，从而保证模数转换器稳定、可靠、准确运行。

本发明实施例提供的高精度模数转换器主要应用在以下领域：

（1）工业方面，可以用来测量各种高精度传感器的电量参数，从而控制系统运行的时间、速度、方式、效率，进而节省能源，提高产品竞争力；

（2）国防方面，可以用于导弹、卫星、宇宙飞船的生产检测和运行控制；

（3）能源系统方面，可以用于新型能源，如光伏发电、风力发电、电动汽车的生产和测试；

（4）科研方面，可以用于大专院校、科研部门作为高精度测试仪器；

（5）安全生产方面，可以用于矿山安全仪器的检测；

（6）食品安全方面，可以用于食品安全仪器的校准；

（7）计量方面，可以作为计量部门、校准单位的最高标准仪器。

现结合图1详述该模数转换器的工作原理如下：主控制器105控制开关阵列102，把调零控制器106的信号接到斩波积分器111上，对整个模数转换器的零点进行积分测量，通过自稳零比较器112测出零点值脉冲宽度T₀。主控制器105控制开关阵列102，把被测信号U_X接到高速积分器103上，对被测信号U_X的高位进行积分测量，通过前馈比较器104测出被测信号U_X的高位值脉冲宽度T₁。T₁值的范围为0—32768，即二进制13位。主控制器105控制开关阵列102，把被测信号U_X接到自稳零积分器107上，对被测信号U_X的低位进行积分测量，通过斩波比较器108测出被测信号U_X的低位值脉冲宽度T2。T2值的范围为0—16384，即二进制12位。主控制器105控制脉宽测量电路110，对通过光电隔离器115传来的三个脉冲宽度进行测量，最后合成被测电压的U_X值，U_X=U_R（T₀+T₁+T₂）/2²⁵，T₁的值最大为32768，T₂的值最大为16384，T₀的值是整个模数转换器的零点，其值很小。通过这种测量，测量值高位最大值可超过19999（十进制），低位最大可超过9999（十进制），整体分辨率可超过199999999，达到了分辨率的要求。从U_X=U_R（T₀+T₁+）/2²⁵可以看出，被测值U_X准确度取决于基准值U_R准确度和脉冲宽度T₀、T₁、T2的准确度。T₀、T₁、T2的准确度为±1/199999999=5×10^-9。因此，只要基准U_R准确度优于1×10^-7，就能保证模数转换器的满度误差优于±0.0001%。

6）本发明的模数转换器具有自校准功能，主控制器105通过开关阵列102自校准电路114接到三个积分器（103、107、111）上，可以对整个模数转换器进行自校准，从而保证模数转换器稳定、可靠、准确运行。

本发明可以广泛应用于6位半到8位半的数字多用表中，还可以用在高准确度的数字采集器上和高端仪器仪表中。提高我国相关行业产品在国际和国内市场中的竞争力，打破美国的垄断，节省了外汇。本发明的高精度模数转换器的分辨率为8位半，满度误差为±0.0001%，达到国际同类产品的先进水平。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高精度模数转换器，其特征在于，包括：依次连接的可调恒流源（101）、开关阵列（102）、高速积分器（103）、前馈比较器（104）、光电隔离器（115）和脉宽测量电路（110），与所述开关阵列（102）连接的自稳零积分器（107）、其一端与自稳零积分器（107）连接另一端与光电隔离器（115）连接的斩波比较器（108），与所述开关阵列（102）连接的斩波积分器（111）、其一端与斩波积分器（111）连接另一端与光电隔离器（115）连接的自稳零比较器（112），与所述开关阵列（102）连接的调零控制器（106）、与所述开关阵列（102）连接的自校准电路（114），与自校准电路（114）连接的校准控制器（113），与脉宽测量电路（110）连接的时钟电路（109），与可调恒流源（101）、开关阵列（102）、脉宽测量电路（110）和校准控制器（113）均连接的主控制器（105）；

所述主控制器（105）控制开关阵列（102）将调零控制器（106）的信号连接至斩波积分器（111），对模数转换器的零点进行积分测量，并通过自稳零比较器（112）测出零点值脉冲宽度T₀；

所述主控制器（105）控制开关阵列（102）将被测信号U_X连接至高速积分器（103），对被测信号U_X的高位进行积分测量，并通过前馈比较器（104）测出被测信号U_X的高位值脉冲宽度T₁；

所述主控制器（105）控制开关阵列（102）将被测信号U_X连接至自稳零积分器（107），对被测信号U_X的低位进行积分测量，并通过斩波比较器（108）测出被测信号U_X的低位值脉冲宽度T2；

所述主控制器（105）控制脉宽测量电路（110）对通过光电隔离器（115）传来的三个脉冲宽度进行测量，合成被测电压的U_X值，U_X=U_R（T₀+T₁+T₂）/2²⁵，所述U_R表示基准电压。

2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，高位值脉冲宽度T₁的范围为0—32768；低位值脉冲宽度T2的范围为0—16384。

3.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述开关阵列（102）由集成模拟开关器件组成。

4.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述脉宽测量电路（110）包括三个16位计数器，分别用于测量零点值脉冲宽度T₀，高位值脉冲宽度T₁和低位值脉冲宽度T2的脉宽值。

5.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于，所述模数转换器还包括用于提供多种隔离电源的电源电路（116）。