基于微差原理的A／D轉(zhuǎn)換方法分析與應(yīng)用

2　測(cè)量原理

2．1　測(cè)量電路的組成

基于微差原理的測(cè)量電路原理框圖如圖2—1所示。由圖可知，測(cè)量電路由以下部分組成：

（1）A／D轉(zhuǎn)換器

若記A／D轉(zhuǎn)換器的單位數(shù)字所表示的電壓為u，則12位A／D轉(zhuǎn)換器的量程L為2¹²u。

（2）比較電壓發(fā)生器

比較電壓發(fā)生器由12位D／A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。由于它與A／D轉(zhuǎn)換器共用同一個(gè)基準(zhǔn)電壓V_R，故兩者的單位數(shù)字量表示的模擬電壓相等，均為u。比較電壓發(fā)生器可產(chǎn)生0～2¹² u的比較電壓V_C。

（3）可編程增益放大器

可編程增益放大器可由12位D／A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)［2］。即將D／A轉(zhuǎn)換器的R_fb引腳改接輸入信號(hào)v_D，而D／A轉(zhuǎn)換器的V_REF引腳改接D／A轉(zhuǎn)換器輸出緩沖放大器的輸出端U₀即可。電路如圖2-2所示。其絕對(duì)增益為

式中　A_p———可編程增益放大器的絕對(duì)增益；

D_p———寫(xiě)入D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)。

由式（2—1）可見(jiàn)，可編程增益放大器可實(shí)現(xiàn)的增益設(shè)定范圍為1～4 096。

（4）減法器
減法器由高共模抑制比的儀用放大器組成。其輸出vD為
v_D＝v_I－V_C（2—2）
式中v_I———經(jīng)多路開(kāi)關(guān)選擇的某一路被測(cè)量；
V_C———比較電壓發(fā)生器的輸出電壓。

2．2　測(cè)量方法與結(jié)果計(jì)算

微差法的設(shè)計(jì)思想是：不直接對(duì)被測(cè)量x進(jìn)行測(cè)量，而是取一個(gè)與其相差較小的高精度標(biāo)準(zhǔn)量N，測(cè)出它們的差值（N－x），然后再根據(jù)公式x＝N－（N－x）計(jì)算出被測(cè)量。被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量的差值越小，測(cè)量結(jié)果的精度就越高［3］?；谶@一原理，將輸入電壓v_I與標(biāo)準(zhǔn)量（比較電壓V_C）相比較，通過(guò)減法器得到兩者的差值，再由可編程增益放大器和A／D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)這一差值的精確測(cè)量，就可還原出輸入信號(hào)v_I的數(shù)值：
   
式是　

v_D———微差量，即減法器的輸出電壓；
v₀———可編程增益放大器的輸出電壓；
D_C———寫(xiě)入比較電壓發(fā)生器的數(shù)據(jù)；
D₀———A／D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)；
D_p———寫(xiě)入可編程增益放大器的數(shù)據(jù)；
u———單位數(shù)字量表示的模擬電壓。
記v_I＝D_iu，則

這就是測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)合成公式。若要計(jì)算D_i的變化量ΔD_i，只要在每次測(cè)量某一通路時(shí)，選用同一比較電壓，即D_C保持不變，就可得到：
　　ΔD_i＝D_tΔD₀／2¹²（2—5）

3　固定相對(duì)微差的測(cè)量方法　　

放大器的增益設(shè)定應(yīng)滿足以下原則：

（1）在同一輸入信號(hào)的反復(fù)測(cè)量中，應(yīng)采用同一比較電壓V_C和同一增益設(shè)定值A(chǔ)_p，這樣在計(jì)算輸入信號(hào)的變化量時(shí)，可避免引入系統(tǒng)誤差；

（2）可編程增益放大器的增益不宜過(guò)大或過(guò)小，取值應(yīng)依據(jù)微差量的變化范圍而定。

依據(jù)這一原則，取被測(cè)量v_I與比較量V_C的最大允許偏差為微差量v_D的量程L_D。可知L_D與A／D轉(zhuǎn)換器的量程L的關(guān)系為：

 下面舉例說(shuō)明放大器增益設(shè)定的方法：若單位數(shù)字量表示的模擬電壓u＝1 mV，輸入信號(hào)vI＝100mV