基于DPWM的高速高精度積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1．4 顯示控制器模塊設(shè)計
該模塊主要完成通知主模塊顯示更新的任務(wù)，在該設(shè)計中，更新周期為100 ms。顯示控制模塊如圖6所示，其信號功能如表4所示。

2 高速高精度積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器優(yōu)點
2．1 滿足單電源供電條件
在許多應(yīng)用中出于成本或系統(tǒng)可靠性等考慮，采用單電源供電。傳統(tǒng)積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器需采用正負(fù)雙電源供電，積分器對輸入電壓在固定的時間間隔內(nèi)積分，該時間間隔通常對應(yīng)于內(nèi)部計數(shù)單元的最大數(shù)，時間到達(dá)后將計數(shù)器復(fù)位，并將積分器輸入連接負(fù)電源電壓。在這個反極性信號作用下，積分器被“反向積分”直到輸出回到零，并使計數(shù)器終止，積分器復(fù)位。積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度可做得很高，但它們的采樣速度和帶寬都非常低。
在此提出的基于DPWM原理實現(xiàn)的積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)單電源+5 V供電。在被測信號DPWM信號的極性相同時，使用單電源供電的可行性顯示，若被測信號與DPWM信號的極性相反時，可采用運放反相放大器的方法在單電源條件下進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，故該方案可工作在單電源條件下而無需額外增加負(fù)電源，原理如圖7所示。此時，VO=-R2Vin／R1，由于VinO，則 VO>0，滿足單電源供電條件。
2．2 便于芯片集成
該積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器是采用DPWM原理實現(xiàn)的，模擬器件極少。它主要實現(xiàn)方法在于僅需要產(chǎn)生DPWM模塊，外部僅需增加一個普通的模擬運算放大器和通信與運算等必要的邏輯單元即可；且易于在FP-GA中實現(xiàn)，其代碼可方便用于集成芯片設(shè)計。相比較而言，它比傳統(tǒng)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器制造高精度、高線性度的模擬單元要容易得多。該轉(zhuǎn)換器設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，其發(fā)出信號占空比與被測量有確定的對應(yīng)關(guān)系，避免了高精度模／數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬電路設(shè)計的復(fù)雜性，便于集成芯片設(shè)計，可用于芯片的制造，且成本較低，也便于單片機(jī)和可編程門陣列等的實現(xiàn)。
2．3 快速搜索算法提高A／D轉(zhuǎn)換速度
初始搜索采用有限步二分法、黃金分割法或隨機(jī)搜索(如蒙特卡羅等方法)，快速確定搜索范圍，再進(jìn)行占空比遍歷，可大大提高A／D轉(zhuǎn)換速度。
2．4 采用抖動方法提高DPWM精度
由于不采用額外措施，DPWM的精度取決于開關(guān)頻率和FPGA主頻。為追求更高精度，可提高主頻或降低開關(guān)頻率。一味提高主頻不現(xiàn)實，顯著降低開關(guān)頻率會影響轉(zhuǎn)換速度。采用抖動方法可較方便地提高DPWM精度。采用該方法可降低主頻和功耗，從而降低成本。另外，還可在同等成本下提高性能。
2．5 需要注意的幾個問題
比較器在臨界狀態(tài)會發(fā)生振蕩，可考慮滯環(huán)比較和邏輯封鎖的方法處理。PWM的基準(zhǔn)需要較穩(wěn)定的基準(zhǔn)源；精度和轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾可根據(jù)具體需要加以協(xié)調(diào)；數(shù)字開關(guān)噪聲的影響需要精心的布線和濾波加以抑制；可適當(dāng)采用自動增益技術(shù)提高低壓測量精度。
3 實驗結(jié)果
本文DPWM輸出波形如圖8所示。經(jīng)低通濾波器后其積分測試波形如圖9所示。該模／數(shù)轉(zhuǎn)換器具有很高的積分線性度，分辨率為165μ弘V。

4 結(jié) 語
由單電源供電，基于DPWM原理實現(xiàn)的高速、高精度、積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器可方便地由單片機(jī)、DSP，F(xiàn)P-GA等實現(xiàn)。無需外接模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，且便于集成芯片設(shè)計，避免了高精度A／D轉(zhuǎn)換器模擬電路設(shè)計的復(fù)雜性，可為集成和相關(guān)IC設(shè)計提供有益的方法，采用快速搜索算法后可使轉(zhuǎn)換速率提高，且同時具備通信和顯示二者并存的功能，適用于更廣泛的應(yīng)用場合。