自適用控制A/D轉(zhuǎn)換編碼電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：本文介紹了一種自適應(yīng)控制A/D轉(zhuǎn)換編碼電路,著重分析了調(diào)理電路自動(dòng)增益控制、誤差補(bǔ)償與A/D轉(zhuǎn)換編碼原理,探討了該電路的局限性,給出了自適應(yīng)控制A/D轉(zhuǎn)換編碼電路設(shè)計(jì)方案及其與微處理器的接口應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)增益控制 自適應(yīng)控制 誤差補(bǔ)償 A/D轉(zhuǎn)換 微處理器

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,通常需要盡量將模擬信號(hào)子樣放大到接近A/D轉(zhuǎn)換電路的滿度值,以充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的分辨能力。然而,在某些應(yīng)用領(lǐng)域,一方面信號(hào)子樣有效幅值輸入范圍較小,另一方面信號(hào)又極其微弱,因此,一般需要調(diào)理電路具備100dB以上的信號(hào)放大能力,而運(yùn)放和采樣裝置引入的失調(diào)可能高達(dá)100～200μV,同時(shí)還具有一定的時(shí)、熱漂移。而在某些應(yīng)用領(lǐng)域,信號(hào)子樣有效幅值輸入范圍又可能較大。顯然,固定增益信號(hào)調(diào)理電路無法兼顧對(duì)上述兩類信號(hào)子樣的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換。為提高信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)能力,設(shè)計(jì)者往往希望系統(tǒng)能根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)整增益并實(shí)現(xiàn)高保真信號(hào)調(diào)理。本文介紹一種采用自適應(yīng)控制A/D轉(zhuǎn)換編碼電路來實(shí)現(xiàn)信號(hào)自適應(yīng)調(diào)理的方法。該方法同時(shí)具有自動(dòng)增益控制、失調(diào)與溫漂自動(dòng)補(bǔ)償和A/D轉(zhuǎn)換編碼控制等功能。

1 自動(dòng)控制循環(huán)放大及誤差補(bǔ)償

利用圖1所示電路可直接完成對(duì)±10μV～±5V信號(hào)的自動(dòng)增益放大并實(shí)現(xiàn)12位A/D轉(zhuǎn)換編碼,并在信號(hào)調(diào)理過程中使增益隨信號(hào)的強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié),運(yùn)放失調(diào)誤差可被自動(dòng)補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)極高的信噪比。該電路主要由模擬開關(guān)S1～S10、運(yùn)放OP1與OP2（主放大器、精密電平比較器）、比較器OP3與OP4、精密電阻R1～R3及Rf、采樣保持器A1與A2構(gòu)成。OP1與OP2選擇低漂移運(yùn)放,OP3、OP4為普通集電極開路輸出比較器。電路工作過程為信號(hào)及誤差采樣、自動(dòng)增益控制循環(huán)放大和循環(huán)編碼A/D轉(zhuǎn)換3個(gè)階段。

1.1 信號(hào)及誤差采樣

一般放大電路主要存在三個(gè)誤差：主運(yùn)放OP1的失調(diào)誤差E0、采保器A1與A2的誤差E1和E2。E0、E1及E2均折算于OP1同相輸入端。

在第1采樣周期,開關(guān)S1、S4及S10閉合,其它斷開。電路完成對(duì)E0、E1的采樣。OP1同相組態(tài)增益K1=1+Rf/R1=7/4。此周期結(jié)束后,采保器A1的輸出電壓為：

Vp=(7/4)E0+E1

在第2采樣周期,開關(guān)S2、S7及S11閉合,其它斷開。OP1同相組態(tài)增益K2=1+Rf/R2=2。這時(shí)第一采樣周期輸出Vp被放大,同時(shí)再計(jì)入E0、E1的影響,采保器A2的輸出電壓為：

VQ=2Vp+2E0+E2

輸入信號(hào)采樣過程在第3周期內(nèi)完成。此時(shí),開關(guān)S3、S5及S10閉合,其它斷開。對(duì)誤差電壓VQ而言,OP1呈反相組態(tài),反相增益K3=-（Rf/R3）=-（2/3）。對(duì)信號(hào)子樣VE,OP1呈同相組態(tài),同相增益K4=1-K3=5/3。此周期結(jié)束后,電容C1上的電壓為：

VM=（5/3）VE+（5/3）E0-（2/3）VQ