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(jì)
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(jì)中,更新周期為100 ms。顯示控制模塊如圖6所示,其信號(hào)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(diǎn)
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(duì)輸入電壓在固定的時(shí)間間隔內(nèi)積分,該時(shí)間間隔通常對(duì)應(yīng)于內(nèi)部計(jì)數(shù)單元的最大數(shù),時(shí)間到達(dá)后將計(jì)數(shù)器復(fù)位,并將積分器輸入連接負(fù)電源電壓。在這個(gè)反極性信號(hào)作用下,積分器被“反向積分”直到輸出回到零,并使計(jì)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(shí)現(xiàn)的積分型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)單電源+5 V供電。在被測(cè)信號(hào)DPWM信號(hào)的極性相同時(shí),使用單電源供電的可行性顯示,若被測(cè)信號(hào)與DPWM信號(hào)的極性相反時(shí),可采用運(yùn)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(wú)需額外增加負(fù)電源,原理如圖7所示。此時(shí),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(shí)現(xiàn)的,模擬器件極少。它主要實(shí)現(xiàn)方法在于僅需要產(chǎn)生DPWM模塊,外部?jī)H需增加一個(gè)普通的模擬運(yùn)算放大器和通信與運(yùn)算等必要的邏輯單元即可;且易于在FP-GA中實(shí)現(xiàn),其代碼可方便用于集成芯片設(shè)計(jì)。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(jì)合理,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其發(fā)出信號(hào)占空比與被測(cè)量有確定的對(duì)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(jì)的復(fù)雜性,便于集成芯片設(shè)計(jì),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(mén)陣列等的實(shí)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(dòng)方法提高DPWM精度
由于不采用額外措施,DPWM的精度取決于開(kāi)關(guān)頻率和FPGA主頻。為追求更高精度,可提高主頻或降低開(kāi)關(guān)頻率。一味提高主頻不現(xiàn)實(shí),顯著降低開(kāi)關(guān)頻率會(huì)影響轉(zhuǎn)換速度。采用抖動(dòng)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(gè)問(wèn)題
比較器在臨界狀態(tài)會(huì)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(kāi)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(dòng)增益技術(shù)提高低壓測(cè)量精度。
3 實(shí)驗(yàn)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(cè)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(yǔ)
由單電源供電,基于DPWM原理實(shí)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(shí)現(xiàn)。無(wú)需外接模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,且便于集成芯片設(shè)計(jì),避免了高精度A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,可為集成和相關(guān)IC設(shè)計(jì)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(shí)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(chǎng)合。
評(píng)論