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倒置雙斜率ADC提高動(dòng)態(tài)范圍
發(fā)布時(shí)間:2018-03-01 來(lái)源:Stephen Woodward 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】四十年來(lái),雙斜率積分A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)成為大多數(shù)數(shù)字萬(wàn)用表和許多工業(yè)和儀器應(yīng)用的核心。雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)合了模擬積分器、比較器和控制邏輯,形成第一個(gè)“斜率”和第二個(gè)“斜率”。本設(shè)計(jì)對(duì)常見(jiàn)的算法做了一些修改,簡(jiǎn)單地顛倒信號(hào)和參考積分的順序,產(chǎn)生倒數(shù)雙斜率積分ADC。
四十年來(lái),雙斜率積分A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)成為大多數(shù)數(shù)字萬(wàn)用表和許多工業(yè)和儀器應(yīng)用的核心。雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)合了模擬積分器、比較器和控制邏輯,將輸入信號(hào)Vin以固定的時(shí)間間隔T1進(jìn)行累積(積分)——構(gòu)成第一個(gè)“斜率”,然后將積分器的輸入切換到一個(gè)固定的負(fù)參考Vref,使被積函數(shù)退回零——第二個(gè)“斜率”,同時(shí)測(cè)量這樣做所需的時(shí)間T2。輸入電壓為:
本設(shè)計(jì)對(duì)常見(jiàn)的算法做了一些修改:簡(jiǎn)單地顛倒信號(hào)和參考積分的順序,產(chǎn)生我所說(shuō)的倒數(shù)雙斜率積分ADC(RDSADC)。
這里,對(duì)Vref按固定的時(shí)間間隔T1進(jìn)行積分。然后將積分器輸入切換到-Vin,并測(cè)量回降到零所需的時(shí)間T2。從而:
看到這么兩個(gè)相似的方程,你可能會(huì)理所當(dāng)然地問(wèn):“那又怎樣?”看下面:
在公式2中,轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間測(cè)量值T2成反比,因此與1/Vin成反比,并且微分計(jì)算告訴我們,逆向變化率在變,但不是線性的,而是測(cè)量值倒數(shù)的平方,即:
這種設(shè)計(jì)的好處是實(shí)現(xiàn)了非線性轉(zhuǎn)換測(cè)量,它可以保持低幅度輸入的高分辨率,而不需要Vin比例系數(shù)的自動(dòng)量程切換。圖1是RDSADC的一個(gè)實(shí)現(xiàn)示例。它在10位分辨率、1mV到1V范圍,對(duì)輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換,同時(shí)在下面兩種極端情況下保持10位分辨率:Vin=1V、1mV分辨率;Vin=1mV、1μV分辨率。這意味著對(duì)T2,只需15位、32k計(jì)數(shù)分辨率,就可實(shí)現(xiàn)1000000:1、20位的動(dòng)態(tài)范圍。換句話說(shuō),只要15位計(jì)數(shù)就可實(shí)現(xiàn)20位動(dòng)態(tài)范圍,與分辨率類似的傳統(tǒng)DSADC相比,轉(zhuǎn)換時(shí)間效率提高了32倍。實(shí)際上,Vin可從比0V小點(diǎn)一直到5V(分辨率隨之降低)。
圖1: RDSADC顛倒了通常的積分順序,以大幅增加動(dòng)態(tài)范圍。
它是如何工作的:
RDSADC周期開始于S1通過(guò)R4/(R3 + R4)分壓器將Vref連接至積分器A2的“+”輸入(引腳3),并在時(shí)間間隔T1期間積分,在V2 = Vref時(shí)結(jié)束,并將比較器A1輸出切換為低。
圖2:RDSADC時(shí)序圖。
S1讓A2的“+”輸入掉至接近參考地(稍后更低些),而S2則通過(guò)R1將A2的“-” 輸入切換至接近Vin。然后V2以幾乎與Vin成比例的斜率下降,確定計(jì)數(shù)間隔T2。V2到達(dá)A1的低門限時(shí),終止T2,完成該ADC周期并開始下一個(gè)周期,不斷循環(huán)。
聰明的讀者會(huì)注意到,在T2期間,當(dāng)S1從A1的“+”輸入中剔除Vref時(shí),R5產(chǎn)生了一個(gè)42mV的正偏壓。這種偏置的目的是,盡管使用單極性電源,也要使A2的輸出一直到T2斜線的末端都保持有效。
同樣在T2期間,R2也產(chǎn)生了有效的32mV偏置1,以確保T2保持有限時(shí)長(zhǎng)(從不超過(guò)32ms),即使Vin接近零也是如此。從而:
這種理想化的計(jì)算忽略了現(xiàn)實(shí)中的偏差,如A1和A2輸入偏移、Vref精度和電阻變化,但這些缺陷可以通過(guò)簡(jiǎn)單的Vfullscale和Vzero兩點(diǎn)校準(zhǔn)以計(jì)算方式輕松補(bǔ)償。
注1: 32mV來(lái)自R1-R2對(duì)2.5V的Vref(50mV)的分壓,它為Vin/20kΩ輸入電流提供1.6μA(32mV/20kΩ)的偏置電流,減去分壓器R3-R5(18mV)提供的“保持有效(keep-alive)”偏置。因此,50mV - 18 mV = 32mV。
本文轉(zhuǎn)載自電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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