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(多图) 基于微差原理的A/D转换方法分析应用

来源:工业仪表与自动化装置/作者:刘少强 张靖?? 2007年07月13日 ?? 收藏0

  1 引言  

  在计算机测控系统对多路参量进行在线监测时,常常需要精确检测各参量在一段较短时间内的变化量。由于一般A/D转换器分辨率有限,若直接测量被测量,再把不同时刻的测量结果相减以求得其变化量,将会造成有效位数的严重损失而难以保障测量精度,尤其在输入信号远小于满量程时情况更加明显。目前高分辨率单片集成式A/D转换器大多为低速型的,高速的A/D转换器价格昂贵且难以实现16位以上的分辨率。因此,这时可采用微差法以提高测量精度。文献[1]提出了一种提高A/D转换分辨率的方法,其思路即基于微差法的思想。本文对这一方法作了改进,采用D/A转换器作为可编程增益放大器,在此基础上提出了固定相对微差的测量方法,并给出了相应的理论分析和应用实例。

  2 测量原理

  2.1 测量电路的组成

  基于微差原理的测量电路原理框图如图2—1所示。由图可知,测量电路由以下部分组成:?

基于微差原理的测量电路原理框图

  (1)A/D转换器

  若记A/D转换器的单位数字所表示的电压为u,则12位A/D转换器的量程L为212u。

  (2)比较电压发生器

  比较电压发生器由12位D/ A转换器实现。由于它与A/D转换器共用同一个基准电压VR,故两者的单位数字量表示的模拟电压相等,均为u。比较电压发生器可产生0~212 u的比较电压VC。

  (3)可编程增益放大器

  可编程增益放大器可由12位D/A转换器实现[2]。即将D/A转换器的Rfb引脚改接输入信号vD,而D/A转换器的VREF引脚改接D/A转换器输出缓冲放大器的输出端U0即可。电路如图2-2所示。其绝对增益为 Dp———写入D/A转换器的数据。

可编程增益放大器

  由式(2—1)可见,可编程增益放大器可实现的增益设定范围为1~4 096。

  (4)减法器

  减法器由高共模抑制比的仪用放大器组成。其输出vD为

  vD=vI-VC(2—2)

  式中vI———经多路开关选择的某一路被测量;

  VC———比较电压发生器的输出电压。

  2.2 测量方法与结果计算

  微差法的设计思想是:不直接对被测量x进行测量,而是取一个与其相差较小的高精度标准量N,测出它们的差值(N-x),然后再根据公式x=N-(N-x)计算出被测量。被测量与标准量的差值越小,测量结果的精度就越高[3]。基于这一原理,将输入电压vI与标准量(比较电压VC)相比较,通过减法器得到两者的差值,再由可编程增益放大器和A/D转换器实现对这一差值的精确测量,就可还原出输入信号vI的数值:?

  式是 

公式

  vD———微差量,即减法器的输出电压;

  v0———可编程增益放大器的输出电压;

  DC———写入比较电压发生器的数据;

  D0———A/D转换器的输出数据;

  Dp———写入可编程增益放大器的数据;

  u———单位数字量表示的模拟电压。

  记vI=Diu,则

公式

  这就是测量结果数据合成公式。若要计算Di的变化量ΔDi,只要在每次测量某一通路时,选用同一比较电压,即DC保持不变,就可得到:

  ΔDi=DtΔD0/212(2—5)

  3 固定相对微差的测量方法  

  放大器的增益设定应满足以下原则:

  (1)在同一输入信号的反复测量中,应采用同一比较电压VC和同一增益设定值Ap,这样在计算输入信号的变化量时,可避免引入系统误差;

  (2)可编程增益放大器的增益不宜过大或过小,取值应依据微差量的变化范围而定。

  依据这一原则,取被测量vI与比较量VC的最大允许偏差为微差量vD的量程LD。可知LD与A/D转换器的量程L的关系为:

LD与A

  下面举例说明放大器增益设定的方法:若单位数字量表示的模拟电压u=1 mV,输入信号vI=100mV±5%,则取比较电压VC=100 mV,相对微差r=5%,?

  得比较电压发生器的预置数DC=100,可编程增益放大器的预置数Dp=rDC=5。这时微差量vD的量程LD为5 mV。

  4 测量性能的改善效果

  4.1 分辨率

  从式(2—4)来看,测量结果占有24位2进制数。但这并不表明测量结果具有24位分辨率。根据式(2—4),当且仅当微差量的量程LD=1 u时,测量结果可表示如下:

  Di=DC+D0×2-12

  这时Di的整数部分为DC,小数部分为D0。DC、D0没有重叠,才能实现24位分辨率。实际上,容易推出测量电路的分辨率k为

公式

  式中L———A/D转换器的量程。
?
??????? 可见,测量电路的分辨率不固定,随着输入信号幅值的降低而提高,有利于提高测量精度。


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微差原理? A/D? 测量?

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