CN1095530A - 模拟电压的数字化装置 - Google Patents

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Abstract

本模拟电压的数字化装置中，第一模拟/数字— 转换器—通道把模拟输入电压转换成一个粗略量化 的数字值。由可调脉冲宽度发生器和连接在其后的 低通滤波器组成的数字/模拟—转换器，把已取得的 数字值逆转换成模拟电压。此外，本装置还有一个差 动放大器。放大器的输出电压差经第二模拟/数字 —转换器—通道转换成精密量化的数字值。

Description

本发明涉及一种模拟电压的数字化装置，具体讲，它包括：
一个第一模拟/数字-转换器-通道，用于转换模拟输入电压为第一个较粗略的量化的数字值，
一个数字/模拟-转换器，把第一个数字值逆转换成模拟电压，它很接近输入电压，
一个差动放大器，它求出模拟输入电压与逆转换的模拟电压两者之差并且有时予以放大，
一个第二模拟/数字-转换器-通道，用于转换在差动放大器输出端的电压差为第二个较精细的量化数字值，
一个计算单元，以提高的精度由两个数字值计算出一个总的数字值。
有许多方法可以把模拟电压转换成数字值。所有这些方法都有一个难题，就是随着字长的增加，技术费用急剧增大。例如，采用并行转换法，对于一个n-比特-转换器，输入信号要与n个参考电压相比较。进行比较时所需要的比较器的数量随字长而指数增加。但是为了使模拟电压在转换成数字值时出现的量化误差减至最少，却需要有很大字长的模/数转换器。
众所周知，为了减少电路费用，人们设计了两极模/数转换器。根据两极法，要实现一个10-比特-转换器，第一步先并行转换最高位的5个比特。其结果表示模拟输入电压的粗略量化值。用一个数/模转换器把取得之数字值再逆转换为模拟电压，并且与输入电压相减。然后其电压差用第二模/数转换器-通道转换成精密量化数字值。为了能应用相同输入电压范围的两个模/数转换器，在一个二级10-比特-转换器中电压差要放大32倍（Tietze    Schenk;半导体电路技术，第九版，第23、8、2节）。在已知的电路中必须对数/模转换器的精度提出比较高的要求。但是，高精度的转换器只有用高的技术费用才可实现，因此是相当昂贵的。
本发明的目的在于，创造一种模拟电压的数字化装置，能够进行高精度的转换，而且只用比较少的费用就能实现。
借助于使数字/模拟-转换器由一个脉冲宽度发生器与连接在它后面的低通滤波器来组成，而脉冲宽度发生器提供一个与第一个数字值相应的脉冲-宽度-调制信号，来实现本发明。
根据本发明提出的装置，此数字/模拟-转换器由一个可调脉冲宽度发生器与一个连接在它后面的低通滤波器组成，此发生器借助经第一模/数转换器-通道粗略量化的第一个数字值进行调整。在低通滤波器的输出端输出一个由数字值逆转换成的模拟电压，此电压相当于粗略量化的输入电压。此电压与输入电压之差，有时也被放大，被送入第二模/数转换器-通道，从而产生第二个数字值，这个数字值比输入端的量化要精细很多。由这两个数字值可以算出一个精确的总结果。用输出端接有低通滤波器的脉冲宽度发生器可以实现高精度的转换。这种装置的优点在于实现了一种价格很便宜、结构简单且高精度的模数转换，这是因为可以放弃精度要求很高的常规的数/模转换器所致。当按本发明制造的装置用在含有微计算机的电路时，其优点将表现得特别突出，因为在适用的微计算机中已经有了多输入通道的模/数转换器和脉冲宽度发生器。
为了转换模拟输入电压和转换差动放大器输出端的差值电压，可以分别使用两个独立的模/数转换器。但是，为了尽量减少电路技术的费用，也有可以用一个前面接有一多路转接器的模/数转换器取代两个独立的转换器。于是模拟输入信号和差值电压将交替加在该模/数转换器上。
把一个作为倒相放大器连接的运算放大器用作差动放大器对整个电路是很有利的。为了平衡补偿电压，有必要安装一个开关装置，它能够把倒相放大器的倒相输入端或总输入端置于接地电位。如果使用的是单极型模/数转换器，为平衡补偿电压应调整脉冲宽度发生器，使低通滤波器的输出端或运算放大器的非倒相输入端有一小的正电压，但是其值应大于补偿电压。于是不管补偿电压是正是负运算放大器的输出端总有一正电压。然后可以用第二模/数转换器-通道从运算放大器输出端出现的电压求出补偿电压，进行数字化并计算出总结果。
对于差动放大器是一个作为非倒相放大器连接的运算放大器的情况，为了平衡补偿电压可以连接一个开关装置，这个装置能把运算放大器的非倒相输入端或者总输入端与一个参考电压连接，使模/数转换器在线性范围工作。然后为平衡补偿电压调整脉冲宽度发生器，使低通滤波器输出端有一很小的输出电压。
在选择适当的参考电压时，也可以进行终值平衡。人们也可以把用多个放大器元件组成的电路装置作为倒相或者非倒相差动放大器使用。
因为技术上无法实现理想的低通滤波器，所以低通滤波器输出端的模拟电压带有波纹度。因此人们可以对差动放大器输出端的电压作多次取样，并由取样值求出模/数转换的平均值。借助求平均值可以进一步减少基于输入信号电压起伏引起的测量误差。
此电压与脉冲宽度发生器的脉冲-宽度-调制信号同步取样是有益的。由最少两个相互之间时间相差脉冲宽度调制信号半个周期长度的取样值求出平均值，这个值与一个理想低通滤波器的输出信号非常接近，此低通滤波器也可以全部或者部分的与差动放大器集成在一起并且/或者接在它的后面。
下面参照电路图进一步阐述本发明的两个实施实例。
图1为模拟电压数字化装置的方框图，其中运算放大器作为倒相放大器连接。
图2为脉冲宽度调制信号和低通滤波器输出信号的电压曲线。
图3为模拟电压数字化装置的电路图，其中运算放大器作为非倒相放大器连接。
本模拟电压数字化装置有一个前面接有多路转接器3的10-比特模拟/数字转换器1。多路转接器3的第一个输入端5经电压跟随器7与作为多路转接器使用的开关装置11的输出端9相连接。在开关装置11的一个输入端13接上待转换成数字值的模拟输入电压Ue，而另一个输入端15与地电位连接。控制线17可使两个信号输入端13，15相互转接。此外，本模拟电压数字化装置还有一个可调脉冲宽度发生器18，它与模/数转换器1、多路转接器5和计算单元6都是微计算机20的组成部分。可调脉冲宽度发生器18的输出端22与电子开关元件26的信号输入端24连接。电子开关元件26具有如下性能，当脉冲宽度调制器18的输出端的电压是逻辑“1”时，在它的信号输出端28有一参考电压是Vref，和当脉冲宽度发生器的输出端的电压是逻辑“0”时;信号输出端处于地电位。电子开关元件的输出端28经低通滤波器30与差动放大器34的输入端之一32连接，其另一个输入端37与电压跟随器7的输出端连接。差动放大器34是由一个作为倒相放大器连接的运算放大器36与在其输入支路中的电阻R1和反馈电阻R2组成。由电阻R1，R2决定的倒相放大器的放大倍数是32。倒相放大器的输出端38与在微计算机20内的多路转接器3的第二个信号输入端40连接。此外，微计算机20还含有图1中没有示出的控制和计算单元，这些单元还能经导线17控制多路转接器11。
下面将说明本装置的功能。待转换成数字值的模拟输入电压Ue在模/数转换器2中被转换成一个粗略量化的数字值。计算单元6把脉冲宽度发生器调到这个粗略量化的数字值，使低通滤波器30的输出端出现一个与输入电压相对应的然而只是粗略量化的模拟电压。差动放大器34给出模拟输入电压Ue与低通滤波器输出端电压之间的电压差，差动被大器34输出端38给出的电压差在第二个工作节拍经模/数转换器2重新数字化。然后，在计算单元6中，由第一个粗略量化的数字值和第二个精密量化的数字值算出精确的数字值，此值对应于模拟输入电压。
为了平衡补偿电压，在开关装置11的控制导线17上加上一控制信号，使倒相放大器34的输入端37在补偿误差范围内达到接地电位。由微计算机中的控制单元可调脉冲宽度发生器18，使低通滤波器30的输出端有一小的正电压。只要正额定电压大于补偿电压，就可以不受补偿电压的正负极性的影响，由低通滤波器30输出端予先给定的已知额定电压和在差动放大器34的输出端38处出现的电压求出补偿电压，并且在计算单元进行计算时将其考虑在内。
为了提高转换器的精度，可以对差动放大器34输出端的差值电压进行多次的取样，并且由取样值求出平均值，从而使由电压起伏引起的误差大大减少。
但是，误差也可能因低通滤波器30没有理想的低通特性所致。在低通滤波器30的输出端，并且从而也在差动放大器34的输出端38实际上没有稳定的直流电压，而是在直流电压42上叠加一正弦电压44，其频率对应于脉冲宽度调制信号46的频率。脉冲宽度调制信号46的曲线和差动放大器34输出端38的电压44的曲线都在图2中示出。
模拟信号44的取样与脉冲宽度调制信号46同步进行对数字化转换是有益的。由两个相互时间错位相差脉冲宽度调制信号46半个周期T/2长度的取样值48，50经计算单元6算出平均值，它与理想的直流电压42非常接近。
图3示出模拟电压数字化装置的另一实施实例。图3的装置与图1装置的区别在于使用了非倒相放大器34′。此外，在位于信号输入端的开关装置11的第二个输入端15处连接一个具有正参考电压Vref的参考电压源52，为了平衡补偿电压，在开关装置11的控制导线17上加一控制信号，使参考电压Vref加到运算放大器36′的输入端37′上，并且调整脉冲宽度发生器18，使低通滤波器30输出端上的电压达到很小。然后补偿电压可以由差动放大器输出端的电压求得。由于非倒相放大器的输入端为高阻，所以，在这个实施实例中可以放弃信号输入端的电压跟随器。

Claims (10)

1、模拟电压数字化装置，包括：
-一个第一模拟/数字-转换器-通道(5，1)，用于转换模拟输入电压(Ue)为第一个较粗略的量化的数字值，
-一个数字/模拟-转换器(4)，把第一个数字值逆转换成模拟电压，它很接近输入电压(Ue)，
-一个差动放大器(34，34′)，它求出模拟输入电压(Ue)与逆转换的模拟电压两者之差并且有时予以放大，
-一个第二模拟/数字-转换器-通道(40，1)，用于转换在差动放大器(34)输出端(38)的电压差为第二个较精细的量化数字值，
-一个计算机单元(6)，以提高的精度由两个数字值计算出一个总的数字值，
其特征在于：
-数字/模拟-转换器(4)是由一个脉冲宽度发生器(18)与连接在它后面的低通滤波器(30)组成，而脉冲宽度发生器(18)提供一个与第一个数字值相应的脉冲-宽度-调制信号。
2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一和第二模拟/数字-转换器-通道（2）是由唯一的一个模拟/数字-转换器（1）与接在它前面的多路转接器（3）组成的。
3、根据权利要求1或2所述装置，其特征在于，差动放大器（34）是一个作为倒相放大器连接的运算放大器（36）。
4、根据权利要求1或2之一所述装置，其特征在于，差动放大器（34′）是一个作为非倒相放大器连接的运算放大器（36′）。
5、根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，使用了开关装置（11），用此装置输入端（8，37′）可以设置在接地电位，以便借助用第二模拟/数字-转换器-通道测量的信号和脉冲宽度发生器的调整来确定补偿电压误差并且在计算单元（6）中进行均衡。
6、根据权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于用了一个开关装置（11，11′），用此装置输入端（8，37′）可以加上参考电压（Vref），以便借助用第二模拟/数字-转换器-通道测量的信号和脉冲宽度发生器的调整来确定补偿误差和/或终值误差，并且在计算单元（6）中进行均衡。
7、根据权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于，在差动放大器（34，34′）输出端（38）处的差值电压被多次取样并且为模拟/数字-转换由取样值求出平均值。
8、根据权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，差值电压的模拟/数字-转换与脉冲宽度发生器（18）的脉冲-宽度-调制信号同步进行。
9、根据权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，低通滤波器（30）全部或部分地与差动放大器（34，34′）集成在一起。
10、根据权利要求1至9之一所述的装置，其特征在于，脉冲宽度发生器（18）和/或多路转接器（3）和/或模拟/数字-转换器（1）都是微计算机（20）的组成部分。
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