基于微差原理的A/D轉(zhuǎn)換方法分析應(yīng)用
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在計算機(jī)測控系統(tǒng)對多路參量進(jìn)行在線監(jiān)測時，常常需要精確檢測各參量在一段較短時間內(nèi)的變化量。由于一般A／D轉(zhuǎn)換器分辨率有限，若直接測量被測量，再把不同時刻的測量結(jié)果相減以求得其變化量，將會造成有效位數(shù)的嚴(yán)重?fù)p失而難以保障測量精度，尤其在輸入信號遠(yuǎn)小于滿量程時情況更加明顯。目前高分辨率單片集成式A／D轉(zhuǎn)換器大多為低速型的，高速的A／D轉(zhuǎn)換器價格昂貴且難以實現(xiàn)16位以上的分辨率。因此，這時可采用微差法以提高測量精度。文獻(xiàn)［1］提出了一種提高A／D轉(zhuǎn)換分辨率的方法，其思路即基于微差法的思想。本文對這一方法作了改進(jìn)，采用D／A轉(zhuǎn)換器作為可編程增益放大器，在此基礎(chǔ)上提出了固定相對微差的測量方法，并給出了相應(yīng)的理論分析和應(yīng)用實例。
2 測量原理
2．1 測量電路的組成
基于微差原理的測量電路原理框圖如圖2—1所示。由圖可知，測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。
?。?）比較電壓發(fā)生器
比較電壓發(fā)生器由12位D／ A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)。由于它與A／D轉(zhuǎn)換器共用同一個基準(zhǔn)電壓VR，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VC。
（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)換器實現(xiàn)［2］。即將D／A轉(zhuǎn)換器的Rfb引腳改接輸入信號vD，而D／A轉(zhuǎn)換器的VREF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。其絕對增益為 Dp———寫入D／A轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)。
由式（2—1）可見，可編程增益放大器可實現(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
vD＝vI－VC（2—2）
式中vI———經(jīng)多路開關(guān)選擇的某一路被測量；
VC———比較電壓發(fā)生器的輸出電壓。
2．2 測量方法與結(jié)果計算
微差法的設(shè)計思想是：不直接對被測量x進(jìn)行測量，而是取一個與其相差較小的高精度標(biāo)準(zhǔn)量N，測出它們的差值（N－x），然后再根據(jù)公式x＝N－（N－x）計算出被測量。被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的差值越小，測量結(jié)果的精度就越高［3］。基于這一原理，將輸入電壓vI與標(biāo)準(zhǔn)量（比較電壓VC）相比較，通過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)換器實現(xiàn)對這一差值的精確測量，就可還原出輸入信號vI的數(shù)值：
式是
vD———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；
DC———寫入比較電壓發(fā)生器的數(shù)據(jù)；
D0———A／D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)；
Dp———寫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vI＝Diu，則
這就是測量結(jié)果數(shù)據(jù)合成公式。若要計算Di的變化量ΔDi，只要在每次測量某一通路時，選用同一比較電壓，即DC保持不變，就可得到：
ΔDi＝DtΔD0／212（2—5）
3 固定相對微差的測量方法
放大器的增益設(shè)定應(yīng)滿足以下原則：
?。?）在同一輸入信號的反復(fù)測量中，應(yīng)采用同一比較電壓VC和同一增益設(shè)定值A(chǔ)p，這樣在計算輸入信號的變化量時，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大或過小，取值應(yīng)依據(jù)微差量的變化范圍而定。
依據(jù)這一原則，取被測量vI與比較量VC的最大允許偏差為微差量vD的量程LD?？芍狶D與A／D轉(zhuǎn)換器的量程L的關(guān)系為：
下面舉例說明放大器增益設(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vI＝100mV
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