基于DPWM的高速高精度積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器
提出一種由單電源供電,基于數(shù)字脈寬調(diào)制(DPWM)原理實現(xiàn)、高速、高精度、積分型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的方法。通過對按預置規(guī)律變化的脈寬調(diào)制信號實施低通濾波后與被測信號比較的方法,實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換,避免了高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬電路設(shè)計的復雜性,并可達到較高的精度。該方法采用快速搜索算法后可進一步提高轉(zhuǎn)換速度,且可方便地由單片機、DSP,F(xiàn)PGA等實現(xiàn),還可為芯片集成提供有益的方法。
關(guān)鍵詞:數(shù)字脈寬調(diào)制;積分型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;可編程門陣列;脈寬調(diào)制信號
0 引 言
采用數(shù)字信號處理可方便地實現(xiàn)各種先進的自適應算法,完成模擬電路無法實現(xiàn)的功能,因此越來越多的模擬信號處理正在被數(shù)字化。目前,應用較多的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器主要有積分型、逐次逼近型和∑-△型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。積分型A/D轉(zhuǎn)換器一般采用雙斜積分方式,其原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率),然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率;缺點是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間,轉(zhuǎn)換速率較低。∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器由積分器、比較器、1位D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成,其原理上近似于積分型,將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號,經(jīng)數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易芯片化,因此容易做到高分辨率,但成本較高,整體芯片化較難?,F(xiàn)有A/D轉(zhuǎn)換器的原理對相關(guān)模擬器件的性能及參數(shù)要求較高,不便于集成。在需要A/D轉(zhuǎn)換的應用中一般很難將高性能的A/D進行集成,需要購買相應的IP核;雙斜積分型A/D等的原理因為需要負參考電壓進行反向積分,一般需要雙電源供電或負電壓基準,這給很多應用帶來不便,影響通用性,且速度較慢,一般不支持通訊和顯示二者并存的功能。為了解決上述問題,采用DPWM技術(shù)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,一方面為缺乏A/D資源的MCU,F(xiàn)PGA等應用提供便利的解決方案,另一方面本方案對模擬器件的性能無特殊要求,便于集成,可用于芯片的制造,且成本較低,可適用于單電源工作,采用快速搜索算法后可使轉(zhuǎn)換速率提高,同時具備通訊和顯示二者并存的功能。
1 高速高精度積分型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器原理
這里采用的轉(zhuǎn)換器,其基本的工作原理是通過DP-WM模塊產(chǎn)生脈寬信號(DPWM)。該信號通過簡單的RC低通濾波器進行濾波后,通過比較器與被檢測信號比較、處理再經(jīng)比較器發(fā)出。最后通過邏輯運算模塊對上述比較器發(fā)出的信號進行拾取、分析,得到被檢測信號的相關(guān)信息,并發(fā)送給通訊模塊及顯示模塊,具體方案如圖1所示。該轉(zhuǎn)換器采用DPWM原理實現(xiàn),其發(fā)出信號的占空比與被測量有確定的對應關(guān)系,避免了高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬電路設(shè)計的復雜性,采用快速搜索算法后可使轉(zhuǎn)換速率提高。
1.1 數(shù)字脈寬調(diào)制模塊設(shè)計
該轉(zhuǎn)換器的核心控制部分可由單片機、DSP,F(xiàn)P-GA等實現(xiàn)。主要完成DPWM的發(fā)生、模擬信號的測量及A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的顯示控制。該設(shè)計原型采用Cy-cloneⅡFPGA為控制芯片,其程序的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
具體工作過程:通過鎖相環(huán)得到高速時鐘,用于產(chǎn)生高分辨率的DPWM信號;利用按一定規(guī)律調(diào)整占空比的DPWM信號實現(xiàn)外部電容電壓的控制,與輸入模擬量信號比較,直到比較器翻轉(zhuǎn),此時的Duty×Vref即為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。在系統(tǒng)中,輸入50 MHz時鐘,通過鎖相環(huán)倍頻到400 MHz,A/D轉(zhuǎn)換精度達到165μV,具體設(shè)計如圖3所示,其信號功能如表1所示。
1.2 DPWM發(fā)生器設(shè)計
DPWM發(fā)生模塊通過實時更新的占空比設(shè)定值,發(fā)出高分辨率的DPWM信號。在該系統(tǒng)中,DPWM信號的頻率為20 kHz,DPWM精度為20 000個時鐘周期/占空比。如圖4所示,其信號功能如表2所示。
1.3 模擬量監(jiān)測器設(shè)計
該模塊的主要功能是實時監(jiān)測對比結(jié)果INT,不斷調(diào)整DUTY,得到最終的轉(zhuǎn)換結(jié)果Duty display。模擬開關(guān)控制信號ASW則完成一個監(jiān)測過程的控制。過程如下:電容放電→對地測量校準→模擬測量(占空比改變)→比較器翻轉(zhuǎn)完成轉(zhuǎn)換。以上3步不斷循環(huán)。模擬測量模塊如圖5所示,其信號功能如表3所示。
評論