CN104333387A - 一种单端输入的差分ad转换器电路校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单端输入的差分AD转换器电路校正方法，用于消除由于电路输入端的单端转差分电路参数偏差引起的转换误差。在采用差分A/D转换器的单端输入数据采集系统中，前端的单端输入差分输出转换电路由于电阻阻值存在偏差，影响转换精度。本发明在常规采样电压值计算算法的基础上，引入存在阻值偏差的电阻阻值作为计算采样电压值的参量，得到了对常规计算采样电压值算法进行校正的校正算法，消除了电阻阻值偏差对计算采样电压值精度的影响，并使数据采集系统的精度一致性得到保证。

Description

一种单端输入的差分AD转换器电路校正方法

技术领域

本发明发明属于电子技术、计算机技术领域，具体涉及一种单端输入的差分AD转换器电路校正方法。

背景技术

在数据采集中，为了抑制共模干扰，常采用差分A/D转换器进行数据采样。差分A/D转换器要求输入信号为一对差分信号，当输入信号为单端信号时，需要采用单端转差分电路将单端信号转换为差分信号，再输入到差分A/D转换器中进行数据转换。差分A/D转换器得到转换结果后，将结果送入用于数据处理的微处理器中，微处理器将A/D转换结果通过运算还原为输入采样电压值，进行后续处理。

输入范围为0～2Vref(Vref为参考电压)的数据采集系统框图见图1。

差分A/D转换器对差分正输入端(In+)与差分负输入端(In-)之间的差值电压进行A/D转换。对于单端输入的差分A/D转换器电路，由图1可知：

差分输出正端电压：

Vout+＝Vin   (1)

差分输出负端电压：

$\mathrm{Vout}-=\mathrm{Vref}+\frac{\mathrm{Rf}(\mathrm{Vref}-\mathrm{Vin})}{R1}---\left(2\right)$

差分A/D转换器输入转换电压为：

$(\mathrm{Vout}+)-(\mathrm{Vout}-)=(1+\frac{\mathrm{Rf}}{R1})(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vref})---\left(3\right)$

在单端输入差分输出转换电路中，要求R1＝Rf，则：

(Vout+)-(Vout-)＝2(Vin-Vref)   (4)

A/D转换器的转换值Value与输入电压的的关系为：

$\mathrm{Vin}=\mathrm{Value}*\frac{2\mathrm{Vref}}{2^N}---\left(\text{5}\right)$

按照式(5)，微处理器可运算还原出采样的输入电压值：

$\mathrm{Sample}=\mathrm{Value}*\frac{2\mathrm{Vref}}{2^N}---\left(\text{6}\right)$

单端输入的差分A/D转换器电路在设计调试中存在以下不足：

数据采集系统前端的单端输入差分输出转换电路，要求输入电阻R1、反馈电阻Rf的阻值相等；但在实际电路设计中，R1、Rf的值之间存在偏差，影响数据采集系统的采样数据精度；而且这一偏差具有随机性，影响不同批次产品的采样数据的一致性。

由式(3)、式(4)，可得由于输入电阻R1、反馈电阻Rf阻值不一致引起的输入差分电压的误差为：

$2(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vref})-(1+\frac{\mathrm{Rf}}{R1})(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vref})=\frac{R1-\mathrm{Rf}}{R1}(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vref})---\left(7\right)$

如在某一输入范围为0～2Vref(Vref为参考电压)的采用差分AD单转换器的单端输入数据采集系统中，Vref为5V，Vin输入范围为0～10V，Vin-Vref最大时有5V，当要求由于R1与Rf阻值不一致引起的误差在0.6mV以内，R1与Rf的相对误差要在0.00012以内，这对R1与Rf的精度和一致性要求都过高，工程上难以实现，不利于批量生产。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种单端输入的差分AD转换器电路校正方法，针对采用差分A/D转换器的单端输入数据采集系统中，由于单端输入差分输出转换电路中输入电阻R1、反馈电阻Rf的阻值存在偏差，降低了采样精度的问题；提出了一种提高差分A/D转换器转换精度的校正方法。

技术方案

一种单端输入的差分AD转换器电路校正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据单端输入的差分AD转换器的转换结果Value计算采样的输入电压值为其中：Vref为参考电压，N为AD转换器的位数；

步骤2：采用单端输入差分输出转换电路中输入电阻R1和反馈电阻Rf的阻值校正单端输入的差分AD转换器电路的转换结果为：

有益效果

本发明提出的一种单端输入的差分AD转换器电路校正方法，用于消除由于电路输入端的单端转差分电路参数偏差引起的转换误差。在采用差分A/D转换器的单端输入数据采集系统中，前端的单端输入差分输出转换电路由于电阻阻值存在偏差，影响转换精度。本发明在常规采样电压值计算算法的基础上，引入存在阻值偏差的电阻阻值作为计算采样电压值的参量，得到了对常规计算采样电压值算法进行校正的校正算法，消除了电阻阻值偏差对计算采样电压值精度的影响，并使数据采集系统的精度一致性得到保证。

优越性在于：

(1)本发明通过在计算采样值的关系式中引入了影响采样精度的单端输入差分输出转换电路中输入电阻R1、反馈电阻Rf的阻值作为变量，消除了R1、Rf阻值偏差对A/D转换器转换精度的影响，提高差分A/D转换器转换精度。

(2)单输入差分输出转换电路中输入电阻R1、反馈电阻Rf通常在1％精度电阻中挑选阻值相近的电阻，不同批次电路中挑选的阻值离散性大，导致不同批次产品的精度存在偏差；而本发明消除了输入电阻R1、反馈电阻Rf阻值存在偏差对采样精度的影响，而使数据采集系统的精度一致性得到保证。

(3)本发明所介绍的校正方法不改变现有数据采集系统的硬件部分，只是对计算采样数据的算法加以改进，增加少量程序，实现成本低；而且降低了对单端输入差分输出转换电路中精度的要求。

附图说明

图1采用差分A/D转换器的单端输入数据采集系统组成框图

图2常规采样值计算算法实现框图

图3采用本发明校正算法的采样值计算算法实现框图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提出了计算采样电压值的校正算法，引入了单端输入差分输出电路中输入电阻R1、反馈电阻Rf的阻值作为变量，对常规的计算采样电压值的算法进行了改进，提高了数据采集系统的采样精度。该校正算法以框图形式表示如图3所示。

首先由于单端输入差分输出转换电路中输入电阻R1阻值、反馈电阻Rf阻值存在偏差，不能进行对消处理，则差分A/D转换器输入转换电压为式(3)，于是可得差分A/D转换器的转换结果Value与差分A/D转换器输入电压(Vout+)-(Vout-)的关系式为：

$(1+\frac{\mathrm{Rf}}{R1})(\mathrm{Vin}-\mathrm{Vref})=\mathrm{Value}\×\frac{4\mathrm{Vref}}{2^N}-2\mathrm{Vref}---\left(\text{8}\right)$

由上式可得到A/D转换器的转换值Value与输入电压的的关系为：

$\mathrm{Vin}=\frac{\mathrm{Value}*\frac{4\mathrm{Vref}}{2^N}-2\mathrm{Vref}}{1+\frac{\mathrm{Rf}}{R1}}+\mathrm{Vref}---\left(\text{9}\right)$

按照式(9)，微处理器可运算还原出采样的输入电压值：

${\mathrm{Sample}}^{\′}=\frac{\mathrm{Value}*\frac{4\mathrm{Vref}}{2^N}-2\mathrm{Vref}}{1+\frac{\mathrm{Rf}}{R1}}+\mathrm{Vref}---\left(\text{10}\right)$

由于引入单端输入差分输出转换电路中的输入电阻R1、反馈电阻Rf阻值来参与运算，式(10)消除了R1与Rf阻值偏差对A/D转换器转换精度的影响。

式(10)可变形为：

${\mathrm{Sample}}^{\′}=\frac{2(\mathrm{Value}*\frac{2\mathrm{Vref}}{2^N})-2\mathrm{Vref}}{1+\frac{\mathrm{Rf}}{R1}}+\mathrm{Vref}---\left(\text{11}\right)$

而常规的采样值计算式为式(5)，对比式(5)和式(11)，则式(11)可表示为：

${\mathrm{Sample}}^{\′}=\frac{2(\mathrm{Sample}-\mathrm{Vref})}{1+\frac{\mathrm{Rf}}{R1}}+\mathrm{Vref}---\left(\text{12}\right)$

根据式(12)，可以得到引入单端输入差分输出转换电路中输入电阻R1、反馈电阻Rf阻值，消除电阻R1、Rf偏差影响的校正算法：

1.首先按常规算法式(5)计算出采样值Sample

2.然后按式(12)进行校正处理，得到消除了输入电阻R1、反馈电阻Rf阻值偏差对A/D转换器转换精度影响的校正结果。

常规的采样值计算算法实现框图如图2，进行校正处理的采样值计算算法实现框图如图3。

本发明的一个具体实施例子如图1，这一案例输入信号Vin为0～10V输入缓变电压，经单端输入差分输出电路将单端信号Vin转换为差分信号Vout+、Vout-，输入到差分A/D转换器中进行数据转换。差分A/D转换器得到转换结果Value后，送入微处理器中，微处理器根据A/D转换结果Value计算出采样电压值。

要求采集数据精度为误差小于0.6mV，图中基准稳压源电压Vref为5V，A/D转换器分辨率为16位；

(1)按常规采样值计算算法计算采样电压值

按常规采样值计算算法计算采样电压值时，算法实现框图见图2。

由于单端输入差分输出转换电路要求R1与Rf阻值相等，但实际器件的值之间存在偏差，本案例从1％精度的器件中挑选出阻值最接近的两只电阻669.9欧姆和669.74欧姆作为单输入差分输出转换电路中输入电阻R1、反馈电阻Rf。

采用Agilent的电压表34401A测试输入电压，由于电压表34401A测试精度远高于这一案例要求的0.6mV，所以以电压表34401A测试值作为采样电压Vin精确值，与这一案例中微处理器根据A/D转换结果Value计算出采样电压值对比，判断这一案例测试结果的精确度。

测试结果如下：表1

编号	34401A测试值(V)	Sample采样值(V)	误差(mV)
				1	0.68133	0.68207	0.74
2	1.42218	1.42319	1.01
				3	2.74092	2.74155	0.63
4	3.76349	3.76404	0.55
				5	4.72935	4.72977	0.42
6	5.70362	5.70389	0.27
				7	6.73782	6.73798	0.16
8	7.73005	7.73026	0.21
				9	8.73250	8.73261	0.11
10	9.78910	9.78882	0.28

误差最大仍有1mV左右，而且R1与Rf阻值选取具有随机性，不能保持其他批次产品数据的一致性。

(2)采用本发明校正算法计算采样电压值

采用本发明校正算法计算采样电压值时，算法实现框图见图3。

在未改变硬件电路的情况下，修改微处理器的计算采样电压的算法程序，加入本发明校正算法程序；再次采集数据，进行校正运算后，对比计算所得的校正值Sample'与电压表34401A测试值的误差，判断这一案例测试结果的精确度。

计算所得的校正值Sample'与电压表34401A测试值对比结果如下：表2

编号	34401A测试值(V)	Sample'校正值(V)	误差(mV)
				1	0.68126	0.68115	0.11
2	1.42994	1.43021	0.27
				3	2.74690	2.74689	0.01
4	3.70597	3.70590	0.07
				5	4.77138	4.77158	0.2
6	5.76836	5.76843	0.07

7	6.82246	6.82266	0.2
				8	7.72228	7.72247	0.19
9	8.71765	8.71811	0.46
				10	9.69220	9.69254	0.34

采用校正算法根据A/D转换结果Value计算出采样电压值，误差降低到0.5mV以内，满足0.6mV精度要求。

本发明通过在微处理器的采样电压值计算程序中，引入单端输入差分输出转换电路中的输入电阻R1、反馈电阻Rf阻值来参与运算，消除了R1与Rf阻值偏差对A/D转换器转换精度的影响，提高了系统的采样精度。

Claims (1)

1.一种单端输入的差分AD转换器电路校正方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：根据单端输入的差分AD转换器的转换结果Value计算采样的输入电压值为其中：Vref为参考电压，N为AD转换器的位数；

步骤2：采用单端输入差分输出转换电路中输入电阻R1和反馈电阻Rf的阻值校正单端输入的差分AD转换器电路的转换结果为： ${\mathrm{Sample}}^{\′}=\frac{2(\mathrm{Sample}-\mathrm{Vref})}{1+\frac{\mathrm{Rf}}{R1}}+\mathrm{Vref}.$