自適用控制A/D轉(zhuǎn)換編碼電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

利用電子開(kāi)關(guān)S8和S9分別將基準(zhǔn)電壓+VR和-VR加到運(yùn)放的反相輸入端,可在放大階段結(jié)束后接著對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行循環(huán)編碼式A/D轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換電路的參考基準(zhǔn)電源VR=+5V,它同時(shí)也代表放大電路的滿刻度值。主運(yùn)放OP1的反相放大倍數(shù)為-1,同相放大倍數(shù)為2。

在循環(huán)編碼過(guò)程中,S7、S11和S6、S10兩組開(kāi)關(guān)輪流切換,以完成信號(hào)的循環(huán)傳遞。整個(gè)循環(huán)編碼過(guò)程中的誤差仍然是自動(dòng)補(bǔ)償?shù)?這里不再贅述。在OP1的輸出端接了一個(gè)極性檢測(cè)器OP2.放大階段結(jié)束時(shí),運(yùn)放OP1輸出被用于循環(huán)放大后的信號(hào)（已保存于C1或C2中）,極性檢測(cè)器OP2同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制編碼B0,它表示被編碼電壓的極性,即A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的二進(jìn)制編碼的符號(hào)位。各編碼周期的二進(jìn)制編碼輸出位Bi及S8、S9的狀態(tài)選擇邏輯如下：

Vo(i)>0時(shí),取Bi=1,下次S8閉合,基準(zhǔn)源+VR加到運(yùn)放反相輸入端,運(yùn)放執(zhí)行以下運(yùn)算：

Vo(i+1)=2Vo(i)-VR

Vo(i)0時(shí),取Bi=0,下次S9閉合,基準(zhǔn)源-VR加到運(yùn)放反相輸入端,則執(zhí)行：

Vo(i+1)=2Vo（i）+VR

轉(zhuǎn)換結(jié)果為二進(jìn)制小數(shù)形式,Bo為二進(jìn)制編碼結(jié)果的符號(hào)位,B1至BN分別表示最高至最低位數(shù)值位。B0=1時(shí),被測(cè)信號(hào)為正,B1至BN表示轉(zhuǎn)換結(jié)果的原碼;B0=0時(shí),被測(cè)信號(hào)為負(fù),B1至BN為二進(jìn)反碼形式。每轉(zhuǎn)換一位需要一個(gè)控制周期,轉(zhuǎn)換的總周期數(shù)決定了A/D轉(zhuǎn)換的分辨率。需指出,上述循環(huán)編碼A/D轉(zhuǎn)換電路與普通逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換在理論上是一致的（證明過(guò)程略）。

3 時(shí)序控制電路設(shè)計(jì)

該電路還需設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)序控制電路與之配合,以產(chǎn)生各操作周期所必需的時(shí)鐘節(jié)拍。一次完整操作最多需33個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍。圖2給出了模擬開(kāi)關(guān)的控制時(shí)序?？刹捎猛ㄓ瞄T器件或可編程門陣列構(gòu)成的硬件時(shí)序邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn),也可應(yīng)用微處理器控制產(chǎn)生所需時(shí)序。硬件實(shí)現(xiàn)圖2的控制時(shí)序可獲得較高的整機(jī)速度,約為幾μs～μs。這主要取決于采樣保持器及硬件時(shí)序邏輯電路的工作速度 。用微處理器產(chǎn)生所需時(shí)序時(shí),完成圖2所示的一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍的電子開(kāi)關(guān)狀態(tài)設(shè)定約需數(shù)條至十?dāng)?shù)條指令周期,因而速度較低。因此只適用于500μs左右的低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

某離子濃度測(cè)定儀的循環(huán)放大與編碼電路采用了8031單片機(jī)控制接口電路,應(yīng)用P1口輸出8位控制數(shù)據(jù)以控制S1～S11,T0、T1接8031的狀態(tài)測(cè)試端。為提高程序執(zhí)行效率,提高電路工作速度,程序設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)單的順序執(zhí)行方式,這種方式所實(shí)現(xiàn)的圖2時(shí)序控制周期可能是非等時(shí)間間隔的,但這不會(huì)影響控制時(shí)序的執(zhí)行性能。單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘為6MHz,指令周期TCY=2μs,一次數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換約需要390個(gè)TCY,即約需時(shí)780μs。

4 結(jié)束語(yǔ)

在本文所述的自適應(yīng)控制A/D轉(zhuǎn)換編碼電路中,A/D轉(zhuǎn)換編碼與信號(hào)放大共用一套電路,工作過(guò)程由數(shù)字電路或微處理器控制,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)能力強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制、失調(diào)與溫漂的自動(dòng)補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換循環(huán)編碼控制,工作穩(wěn)定可靠。在中速以下數(shù)據(jù)測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合,該電路具備較高的性能價(jià)格比,特別適宜于各種單片機(jī)智能儀器、移動(dòng)型微數(shù)字檢測(cè)設(shè)備及虛擬儀器系統(tǒng)使用。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)注意采樣保持誤差對(duì)系統(tǒng)精度的影響。用微處理器生成控制時(shí)序時(shí),由于周期較長(zhǎng),因而應(yīng)選用低頂降率的采保器,采用其它硬件電路產(chǎn)生控制時(shí)序時(shí),周期較短,則應(yīng)選用低獲取時(shí)間的采保器。

在某離子濃度測(cè)定儀的應(yīng)用實(shí)例中,其輸入信號(hào)為30μV～200mV,A/D轉(zhuǎn)換字長(zhǎng)為12位,平均信號(hào)處理時(shí)間為600μs。OP1與OP2筆者選用AD707極低漂移運(yùn)放（偏置電壓15μV、偏置電壓漂移0.1μV/℃、噪聲0.1μVp-p、回轉(zhuǎn)率0.1V/μs）,OP3與OP4選用LM339普通集電極開(kāi)路輸出型比較器（失調(diào)2mV）,A1與A2選有SMP-04EP經(jīng)濟(jì)型采保器（精度0.01%、獲取時(shí)間7μs、頂降率為0.025μV/μs）。