CN1585277A - 高分辨率模数转换方法及电路 - Google Patents

Abstract

高分辨率模数转换方法，其特征在于：应用相对值测量原理，用模拟信号延迟电路获得与输入的模拟信号具有一定时间延迟的模拟信号，运用差分放大电路获得模拟输入信号的相邻时刻的差值信号，对获得的差值信号进行放大，并用低分辨率的模数转换电路对放大后的差值信号进行采样；采样得到的差值信号模数转换序列，按采样顺序进行叠加，高分辨率地还原模拟输入信号的波形。适用于输入的模拟信号变化范围大，要求的分辨率高的应用领域，如高压电缆故障定位、雷电监测等。

Description

高分辨率模数转换方法及电路

技术领域

本发明属于模数转换(A/D)领域，特别是涉及一种高分辨率模数转换方法及电路。

背景技术

目前模数转换电路有两大类，一类速度快，分辨率相对较低的高速模数转换电路；另一类分辨率较高，速度却相对较低的高分辨率模数转换电路。目前高分辨率模数转换(A/D)电路为并行17位，以及串行24位。

中国发明专利“高速高精度模数变换器”(申请号：90104891；公告号：1058678)，采用三个采保单元，在某一采保单元对当前时刻的输入模拟信号进行采样时，粗变换ADC可以对上一时刻信号(保持在另一个采保单元中)进行粗变换，精变换ADC也可以对上一时刻信号(保持在第三采保单元中)进行精变换。由于采用粗变换ADC和精变换ADC对同一信号进行联合采样，分辨率相当于两片所用ADC的分辨率的和，转换速度与所用ADC的速度相当。

中国发明专利“精度20位以上、速度20KHz以上的模数转换器”(申请号：01109052；公告号：1312615)，模拟输入信号与D/A转换器的输出的差值经差动放大器放大，放大后的结果作为A/D的输入，A/D的输入送入微处理器，微处理器控制D/A的输出。该方案可提高A/D的分辨率，但由于D/A的位数所限，分辨率的提高仍受到限制；由于D/A的输出需由微处理器控制，使其转换速度受到限制。

中国发明专利“有效精度超过20位的高精度模数转换卡”(申请号：02146313；公告号：1405980)，采用24位串行模数转换芯片、高精度参考电平芯片、高精度温补晶体、16位单片机和PCI接口构成高精度模数转换卡。其分辨率取决于所用的A/D芯片为24位，由于采用串行模数转换芯片，其转换速度受到限制。

对于输入的模拟信号变化范围大，要求的分辨率高的应用领域，如高压电缆故障定位、雷电监测等，其模拟输入信号幅度在很大的范围内变化。例如在高压电缆故障定位中，由于故障产生的信号电压的幅值在5伏到100伏之间，而且其幅值事先是不能预知的，为了得到高的定位分辨率，除了需要优秀的算法外，还需要高分辨率的模拟信号的采样。对于20ms周期的信号，要想得到相角为10ns的采样，所要求的模数转换的分辨率应超过43位，目前市场上的模数转换芯片和现有的模数转换的技术，以及上面提及的模数转换方法的分辨率都不能满足要求。

发明内容

为了满足以上应用的需要，针对上述不足，本发明的目的在于提供一种能够实现大范围变化的输入信号的高分辨率模数转换的方法及电路。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

高分辨率模数转换方法，其特征在于：应用相对值测量原理，用模拟信号延迟电路获得与输入的模拟信号具有一定时间延迟的模拟信号，运用差分放大电路获得模拟输入信号的相邻时刻的差值信号，对获得的差值信号进行放大，并用低分辨率的模数转换电路对放大后的差值信号进行采样；采样得到的差值信号模数转换序列，按采样顺序进行叠加，高分辨率地还原模拟输入信号的波形。

如上所述的高分辨率模数转换方法，其特征在于：为了得到采样的绝对值，用低分辨率的模数转换电路对输入的绝对值信号与差值信号同步进行采样，绝对值信号采样值仅在一个很小的范围内有非溢出的正常采样值，其大部分采样值为上下溢出值，仅采用其中的正常采样值作为校准值，对差值信号采样值进行绝对值校准和误差控制，最后得到输入信号的高分辨率采样序列。

如上所述的高分辨率模数转换方法，其特征在于：还原的模拟输入信号相对序列为：

${\mathrm{VX}}_i=V_{\mathrm{init}}+\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}d{V}_k$

如上所述的高分辨率模数转换方法，其特征在于：V_init可以是采样值，也可以是给定值。

如上所述的高分辨率模数转换电路，其特征是：模拟输入信号绝对序列为： $V_i={\mathrm{VJ}}_1-{\mathrm{dV}}_0+\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dV}}_k,$ VJ₁为非溢出的正常绝对值模数转换结果。

高分辨率模数转换电路，包括模拟放大电路和模数转换电路，其特征是：模拟输入信号V_i(1)连接到延迟电路(2)、差分放大电路(4)和绝对值放大电路(9)；延迟电路(2)与差分放大电路(4)相连，差分放大电路(4)与差值模数转换电路(6)相连；绝对值放大电路(9)与绝对值模数转换电路(10)相连；时钟信号(8)与差值模数转换电路(6)以及绝对值模数转换电路(10)相连。

如上所述的高分辨率模数转换电路，其特征是：所述的延迟电路为电磁延迟线或采样保持电路。采用电磁延迟线的系统，具有良好的连续性，和较宽的动态范围，不足的是延迟线的延迟的时间不能任意选择的，只能在可选的的范围内进行选择，除非定制。采用采样保持电路的系统，延迟的时间可由设计者进行控制，既通过控制时钟实现，不足的是动态范围取决于采样保持电路的动态范围。

如上所述的高分辨率模数转换电路，其特征是：在差分放大电路(4)与差值模数转换电路(6)之间设置有一个电平移动电路。特别适合于单电源的A/D，以使输入的模拟信号的动态范围与A/D的模拟输入的动态范围相一致。

本发明的工作原理如下：

模拟输入信号V_i一路连接到差分放大电路的一个差分输入端，一路输入到延迟电路。延迟电路将模拟输入信号V_i延迟一个时间段，输出模拟输入信号V_i-1。模拟输入信号V_i-1连接到差分放大电路的另一个差分输入端。差分放大电路对模拟输入信号V_i和模拟输入信号V_i-1的差值进行放大，输出模拟输入信号相邻时刻差值。模拟输入信号相邻时刻差值经差值模数转换电路，在时钟信号的控制下进行模数转换，输出差值模数转换结果dV_i。绝对值放大电路对模拟输入信号V_i与模拟信号地的差值进行放大，在时钟信号的控制下，绝对值模数转换电路对绝对值放大电路的输出进行同步模数转换，得到绝对值模数转换结果VJ_i。

设t_i时刻的模拟输入信号为V_i，t_i-1时刻的模拟输入信号为V_i-1，t_i时刻与t_i-1时刻的模拟输入信号的差值为dV_i＝V_i-V_i-1，模拟输入信号的差值的采样序列为dV₀、dV₁、dV₂、dV₃、……、dV_i-1、dV_i，VX₀＝V_init，还原的模拟输入信号相对序列为：

VX₀＝V_init

VX₁＝VX₀+dV₀＝V_init+dV₀

VX₂＝VX₁+dV₁＝V_init+dV₀+dV₁

VX₃＝VX₂+dV₂＝V_init+dV₀+dV₁+dV₂



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${\mathrm{VX}}_i={\mathrm{VX}}_{i-1}+{\mathrm{dV}}_{i-1}=V_{\mathrm{init}}+\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dV}}_k$

模拟输入信号的绝对值的采样序列为VJ₀、VJ₁、VJ₂、VJ₃、……VJ_i，其中VJ₁为正常采样值，则VX₁＝VJ₁，得V_init＝VJ₁-dV₀，最终得到模拟输入信号绝对序列为：

V₀＝VJ₁-dV₀

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$V_i=V_{i-1}+{\mathrm{dV}}_{i-1}={\mathrm{VJ}}_1-{\mathrm{dV}}_0+\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{dV}}_k$

该方案可用低分辨率的模数转换电路，对模拟输入信号，特别是幅值大范围变化的模拟输入信号进行高分辨率的模数转换。可以达到的分辨率取决于延迟电路的工作范围、差分电路的共模输入范围、差分放大电路的增益以及所用的差值模数转换电路的分辨率。由于是对差值进行放大和采样，所以可以得到极高的分辨率；模数转换的速度取决于延迟电路和模数转换电路的速度，可以达到最高可用的高速低分辨率的模数转换电路的速度。V_init可以是采样值，也可以是给定值。采用采样值校准V_init，可得到模拟输入信号的绝对采样值序列；V_init采用给定值，如V_init＝0，可得到模拟输入信号的浮动电平相对采样值序列。

附图说明

图1，为本发明的原理图；

图2，为实施例1示意图；

图3，为实施例2示意图；

图中，1.模拟输入信号V_i，2.延迟电路，3.模拟输入信号V_i-1，4.差分放大电路，5.模拟输入信号相邻时刻差值，6.差值模数转换电路，7.差值模数转换结果dV_i，8.时钟信号，9.绝对值放大电路，10.绝对值模数转换电路，11.绝对值模数转换结果VJ_i，12.模拟信号电磁延迟线，13.采样保持电路，14.电平移动电路，15.调校信号，16.限幅电路，17.限幅输出信号，18.基准电平。

具体实施方式

如图1所示，模拟输入信号V_i1一路连接到差分放大电路4的一个差分输入端；一路输入到延迟电路2。延迟电路2将模拟输入信号V_i1延迟一个时间段，输出模拟输入信号V_i-13。模拟输入信号V_i-13连接到差分放大电路4的另一个差分输入端。差分放大电路4对模拟输入信号V_i1和模拟输入信号V_i-13的差值进行放大，输出模拟输入信号相邻时刻差值5。模拟输入信号相邻时刻差值5经差值模数转换电路6，在时钟信号8的控制下进行模数转换，输出差值模数转换结果dV_i7。绝对值放大电路9对模拟输入信号V_i与模拟信号地的差值进行放大，在时钟信号8的控制下，绝对值模数转换电路10对绝对值放大电路9的输出进行同步模数转换，得到绝对值模数转换结果VJ_i11。

图2是本发明实施例1的示意图，延迟电路2采用模拟信号电磁延迟线。模拟输入信号V_i1一路连接到差分放大电路4的一个差分输入端；一路输入到模拟信号电磁延迟线12。模拟信号电磁延迟线12将模拟输入信号V_i1延迟一个时间段，输出模拟输入信号V_i-13。模拟输入信号V_i-13连接到差分放大电路4的另一个差分输入端。差分放大电路4对模拟输入信号V_i1和模拟输入信号V_i-13的差值进行放大，输出模拟输入信号相邻时刻差值5。模拟输入信号相邻时刻差值5经电平移动电路14，电平移动电路14将输入模拟输入信号相邻时刻差值5经过电平移动，使其输出的调校信号15适应差值模数转换电路6的输入范围。调校信号15连接到差值模数转换电路6的模拟输入端。差值模数转换电路6，在时钟信号8的控制下进行模数转换，输出差值模数转换结果dV_i7。模拟输入信号V_i1经限幅电路16输出限幅输出信号17，以保护绝对值放大电路9。限幅输出信号17连接到绝对值放大电路9的一个模拟输入端，基准电平18连接到绝对值放大电路9的另一个模拟输入端。绝对值放大电路9对模拟输入信号V_i与模拟信号地的差值进行放大，在时钟信号8的控制下，绝对值模数转换电路10对绝对值放大电路9的输出进行同步模数转换，得到绝对值模数转换结果VJ_i11。

图3是本发明实施例2的示意图，延迟电路2采用采样保持电路。模拟输入信号V_i1一路连接到差分放大电路4的一个差分输入端；一路输入到采样保持电路13。采样保持电路13将模拟输入信号V_i1延迟一个时间段，输出模拟输入信号V_i-13。模拟输入信号V_i-13连接到差分放大电路4的另一个差分输入端。差分放大电路4对模拟输入信号V_i1和模拟输入信号V_i-13的差值进行放大，输出模拟输入信号相邻时刻差值5。模拟输入信号相邻时刻差值5经电平移动电路14，电平移动电路14将输入模拟输入信号相邻时刻差值5经过电平移动，使其输出的调校信号15适应差值模数转换电路6的输入范围。调校信号15连接到差值模数转换电路6的模拟输入端。差值模数转换电路6，在时钟信号8的控制下进行模数转换，输出差值模数转换结果dV_i7。模拟输入信号V_i1经限幅电路16输出限幅输出信号17，以保护绝对值放大电路9。限幅输出信号17连接到绝对值放大电路9的一个模拟输入端，基准电平18连接到绝对值放大电路9的另一个模拟输入端。绝对值放大电路9对模拟输入信号V_i与模拟信号地的差值进行放大，在时钟信号8的控制下，绝对值模数转换电路10对绝对值放大电路9的输出进行同步模数转换，得到绝对值模数转换结果VJ_i11。

差分放大电路4和绝对值放大电路9，采用AD8129运算放大器，最高速度为200MHz，共模输入为±10.5V；差值模数转换电路6和绝对值模数转换电路10采用max1201，最高采样率为2.2MSPS，分别率为14bits。就可实现对幅值为10V的50Hz的正弦波，进行采样，得到1us的相角的采样分辨率。

本发明的延迟电路2还可以用其它的电路实现。

本发明的绝对值模数转换电路9还可以用其它的电路实现。

本发明的绝对值校准还可以用其它的计算方法。

Claims (8)

1、高分辨率模数转换方法，其特征在于：应用相对值测量原理，用模拟信号延迟电路获得与输入的模拟信号具有一定时间延迟的模拟信号，运用差分放大电路获得模拟输入信号的相邻时刻的差值信号，对获得的差值信号进行放大，并用低分辨率的模数转换电路对放大后的差值信号进行采样；采样得到的差值信号模数转换序列，按采样顺序进行叠加，高分辨率地还原模拟输入信号的波形。

2、如权利要求1所述的高分辨率模数转换方法，其特征在于：为了得到采样的绝对值，用低分辨率的模数转换电路对输入的绝对值信号与差值信号同步进行采样，绝对值信号采样值仅在一个很小的范围内有非溢出的正常采样值，其大部分采样值为上下溢出值，仅采用其中的正常采样值作为校准值，对差值信号采样值进行绝对值校准和误差控制，最后得到输入信号的高分辨率采样序列。

3、如权利要求2所述的高分辨率模数转换方法，其特征在于：还原的模拟输入信号相对序列为： ${\mathrm{VX}}_i=V_{\mathrm{init}}+\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}d{V}_k$

4、如权利要求3所述的高分辨率模数转换方法，其特征在于：V_init可以是采样值，也可以是给定值。

5、如权利要求2所述的高分辨率模数转换电路，其特征是：模拟输入信号绝对序列为： $V_i={\mathrm{VJ}}_1-d{V}_0+\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}d{V}_k,$ VJ₁为非溢出的正常绝对值模数转换结果。

6、高分辨率模数转换电路，包括模拟放大电路和模数转换电路，其特征是：模拟输入信号V_i(1)连接到延迟电路(2)、差分放大电路(4)和绝对值放大电路(9)；延迟电路(2)与差分放大电路(4)相连，差分放大电路(4)与差值模数转换电路(6)相连；绝对值放大电路(9)与绝对值模数转换电路(10)相连；时钟信号(8)与差值模数转换电路(6)以及绝对值模数转换电路(10)相连。

7、如权利要求6所述的高分辨率模数转换电路，其特征是：所述的延迟电路为电磁延迟线或采样保持电路。

8、如权利要求6或7所述的高分辨率模数转换电路，其特征是：在差分放大电路(4)与差值模数转换电路(6)之间设置有一个电平移动电路。

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