基于微差原理的A/D轉(zhuǎn)換方法分析與應(yīng)用

4　測(cè)量性能的改善效果
4．1　分辨率
　　從式（2―4）來(lái)看，測(cè)量結(jié)果占有24位2進(jìn)制數(shù)。但這并不表明測(cè)量結(jié)果具有24位分辨率。根據(jù)式（2―4），當(dāng)且僅當(dāng)微差量的量程LD＝1 u時(shí)，測(cè)量結(jié)果可表示如下：
　　Di＝DC＋D0×2－12

這時(shí)Di的整數(shù)部分為DC，小數(shù)部分為D0。DC、D0沒(méi)有重疊，才能實(shí)現(xiàn)24位分辨率。實(shí)際上，容易推出測(cè)量電路的分辨率k為

式中L―――A／D轉(zhuǎn)換器的量程。
可見，測(cè)量電路的分辨率不固定，隨著輸入信號(hào)幅值的降低而提高，有利于提高測(cè)量精度。

4．2　相對(duì)誤差
　　由于可編程增益放大器的作用，微差量vD的測(cè)量分辨率可達(dá)到2－12，即測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)分辨率為2－12 LD。在不考慮其它因素影響的情況下，可認(rèn)為這就是測(cè)量結(jié)果的絕對(duì)誤差。從而測(cè)量結(jié)果的相對(duì)
誤差η為

由于相對(duì)微差r為預(yù)先設(shè)置的常數(shù)，所以vI的相對(duì)誤差基本固定。例：當(dāng)r＝6．25％時(shí)，可使相對(duì)誤差達(dá)到2－16數(shù)量級(jí)?？梢?，這種方法不僅實(shí)現(xiàn)了分辨率的提高，而且具有小信號(hào)輸入時(shí)有效位數(shù)不損失的特點(diǎn)。而普通的測(cè)量方法其精度是按滿量程的相對(duì)誤差來(lái)評(píng)定的，不能實(shí)現(xiàn)固定相對(duì)誤差的測(cè)量。圖4―1所示為相對(duì)微差r＝6．25％時(shí)普通測(cè)量方法（圖中虛線）和微差測(cè)量法（圖中實(shí)線）的相對(duì)誤差與輸入信號(hào)vI大小的關(guān)系曲線。從圖4―1可知，對(duì)于大到4 095 u、小到16u的信號(hào)，均能實(shí)現(xiàn)16位有效數(shù)字（2進(jìn)制）的測(cè)量。如果由16位A／D轉(zhuǎn)換器取代微差法直接測(cè)量是不能實(shí)現(xiàn)以上效果的。

4．3　輸入信號(hào)變化量的測(cè)量精度
　　首先討論影響ΔvI的因素。輸入信號(hào)的零位誤差和減法器的失調(diào)電壓雖然會(huì)影響測(cè)量結(jié)果vI的精度，但不影響其變化量ΔvI的精度。另外，只要兩次測(cè)量時(shí)采用相同的比較電壓VC，則比較電壓VC的誤差就不會(huì)影響ΔvI（這里不考慮D／A轉(zhuǎn)換器的重復(fù)性誤差）。至于傳輸通道的增益誤差由3個(gè)環(huán)節(jié)決定：第1個(gè)是減法器，由高精度儀用放大器實(shí)現(xiàn)；第2個(gè)是可編程增益放大器，由12位D／A轉(zhuǎn)換器DAC1230 實(shí)現(xiàn)；第3個(gè)為A／D轉(zhuǎn)換器。其中前2個(gè)環(huán)節(jié)的增益精度由器件制造精度保證，不需調(diào)整。整個(gè)通道的增益誤差完全由第3個(gè)環(huán)節(jié)A／D轉(zhuǎn)換器通過(guò)調(diào)節(jié)其參考電壓來(lái)補(bǔ)償（由于比較電壓發(fā)生器的參考電壓與A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為同一基準(zhǔn)電壓，由式（2―3）的推導(dǎo)過(guò)程可知，調(diào)節(jié)參考電壓不會(huì)影響式（2―3）的正確性）。以上分析表明，微差量ΔvI可獲很高的精度，且其分辨率就為A／D轉(zhuǎn)換器本身的分辨率（為12位）。這說(shuō)明這種測(cè)量方法特別適合于測(cè)量輸入信號(hào)的變化量，這時(shí)比較電壓VC誤差、輸入信號(hào)零位誤差、減法器的失調(diào)誤差均不影響ΔvI的測(cè)量精度。

5　在電池組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用　　
　　這一方法被用于變電站備用供電電源監(jiān)控系統(tǒng)中。為了檢測(cè)電池組的特性，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)各段電池的端電壓變化量。由于電池組串聯(lián)工作，各段電池端電壓及其變化范圍各不相同，采用通常的辦法無(wú)法精確測(cè)量。而采用微差測(cè)量方法能有效地捕捉充放電過(guò)程中各段電壓的微小變化，從而準(zhǔn)確地評(píng)定各段電池的性能（內(nèi)阻、容量等）。這里A／D轉(zhuǎn)換器采用12位逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器AD1674，參考電壓VR?。? 096 mV，量程L＝4 096 mV；比較電壓輸出為VR的反相放大，即VC＝0～－4 096 mV，所以輸入vI必須為單極性負(fù)電壓輸入。由于受到隨機(jī)誤差的影響，實(shí)際測(cè)得測(cè)量誤差約為20μV，取得滿意效果。