基于DPWM的高速高精度積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器

1．4 顯示控制器模塊設(shè)計(jì)
該模塊主要完成通知主模塊顯示更新的任務(wù)，在該設(shè)計(jì)中，更新周期為100 ms。顯示控制模塊如圖6所示，其信號(hào)功能如表4所示。

2 高速高精度積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)
2．1 滿足單電源供電條件
在許多應(yīng)用中出于成本或系統(tǒng)可靠性等考慮，采用單電源供電。傳統(tǒng)積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器需采用正負(fù)雙電源供電，積分器對(duì)輸入電壓在固定的時(shí)間間隔內(nèi)積分，該時(shí)間間隔通常對(duì)應(yīng)于內(nèi)部計(jì)數(shù)單元的最大數(shù)，時(shí)間到達(dá)后將計(jì)數(shù)器復(fù)位，并將積分器輸入連接負(fù)電源電壓。在這個(gè)反極性信號(hào)作用下，積分器被“反向積分”直到輸出回到零，并使計(jì)數(shù)器終止，積分器復(fù)位。積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度可做得很高，但它們的采樣速度和帶寬都非常低。
在此提出的基于DPWM原理實(shí)現(xiàn)的積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)單電源+5 V供電。在被測(cè)信號(hào)DPWM信號(hào)的極性相同時(shí)，使用單電源供電的可行性顯示，若被測(cè)信號(hào)與DPWM信號(hào)的極性相反時(shí)，可采用運(yùn)放反相放大器的方法在單電源條件下進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，故該方案可工作在單電源條件下而無需額外增加負(fù)電源，原理如圖7所示。此時(shí)，VO=-R2Vin／R1，由于VinO，則 VO>0，滿足單電源供電條件。
2．2 便于芯片集成
該積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器是采用DPWM原理實(shí)現(xiàn)的，模擬器件極少。它主要實(shí)現(xiàn)方法在于僅需要產(chǎn)生DPWM模塊，外部?jī)H需增加一個(gè)普通的模擬運(yùn)算放大器和通信與運(yùn)算等必要的邏輯單元即可；且易于在FP-GA中實(shí)現(xiàn)，其代碼可方便用于集成芯片設(shè)計(jì)。相比較而言，它比傳統(tǒng)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器制造高精度、高線性度的模擬單元要容易得多。該轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其發(fā)出信號(hào)占空比與被測(cè)量有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，避免了高精度模／數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，便于集成芯片設(shè)計(jì)，可用于芯片的制造，且成本較低，也便于單片機(jī)和可編程門陣列等的實(shí)現(xiàn)。
2．3 快速搜索算法提高A／D轉(zhuǎn)換速度
初始搜索采用有限步二分法、黃金分割法或隨機(jī)搜索(如蒙特卡羅等方法)，快速確定搜索范圍，再進(jìn)行占空比遍歷，可大大提高A／D轉(zhuǎn)換速度。
2．4 采用抖動(dòng)方法提高DPWM精度
由于不采用額外措施，DPWM的精度取決于開關(guān)頻率和FPGA主頻。為追求更高精度，可提高主頻或降低開關(guān)頻率。一味提高主頻不現(xiàn)實(shí)，顯著降低開關(guān)頻率會(huì)影響轉(zhuǎn)換速度。采用抖動(dòng)方法可較方便地提高DPWM精度。采用該方法可降低主頻和功耗，從而降低成本。另外，還可在同等成本下提高性能。
2．5 需要注意的幾個(gè)問題
比較器在臨界狀態(tài)會(huì)發(fā)生振蕩，可考慮滯環(huán)比較和邏輯封鎖的方法處理。PWM的基準(zhǔn)需要較穩(wěn)定的基準(zhǔn)源；精度和轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾可根據(jù)具體需要加以協(xié)調(diào)；數(shù)字開關(guān)噪聲的影響需要精心的布線和濾波加以抑制；可適當(dāng)采用自動(dòng)增益技術(shù)提高低壓測(cè)量精度。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文DPWM輸出波形如圖8所示。經(jīng)低通濾波器后其積分測(cè)試波形如圖9所示。該模／數(shù)轉(zhuǎn)換器具有很高的積分線性度，分辨率為165μ弘V。

4 結(jié) 語
由單電源供電，基于DPWM原理實(shí)現(xiàn)的高速、高精度、積分型模／數(shù)轉(zhuǎn)換器可方便地由單片機(jī)、DSP，F(xiàn)P-GA等實(shí)現(xiàn)。無需外接模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，且便于集成芯片設(shè)計(jì)，避免了高精度A／D轉(zhuǎn)換器模擬電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，可為集成和相關(guān)IC設(shè)計(jì)提供有益的方法，采用快速搜索算法后可使轉(zhuǎn)換速率提高，且同時(shí)具備通信和顯示二者并存的功能，適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。