基于DPWM的高速高精度積分型模數轉換器

提出一種由單電源供電，基于數字脈寬調制(DPWM)原理實現、高速、高精度、積分型模／數轉換器的方法。通過對按預置規(guī)律變化的脈寬調制信號實施低通濾波后與被測信號比較的方法，實現模／數轉換，避免了高精度模／數轉換器模擬電路設計的復雜性，并可達到較高的精度。該方法采用快速搜索算法后可進一步提高轉換速度，且可方便地由單片機、DSP，FPGA等實現，還可為芯片集成提供有益的方法。
關鍵詞：數字脈寬調制；積分型模／數轉換器；可編程門陣列；脈寬調制信號

0 引 言
采用數字信號處理可方便地實現各種先進的自適應算法，完成模擬電路無法實現的功能，因此越來越多的模擬信號處理正在被數字化。目前，應用較多的模／數轉換器主要有積分型、逐次逼近型和∑-△型模／數轉換器。積分型A／D轉換器一般采用雙斜積分方式，其原理是將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器／計數器獲得數字值。優(yōu)點是用簡單電路就能獲得高分辨率；缺點是由于轉換精度依賴于積分時間，轉換速率較低。∑-△型A／D轉換器由積分器、比較器、1位D／A轉換器和數字濾波器等組成，其原理上近似于積分型，將輸入電壓轉換成時間(脈沖寬度)信號，經數字濾波器處理后得到數字值。電路的數字部分基本上容易芯片化，因此容易做到高分辨率，但成本較高，整體芯片化較難?，F有A／D轉換器的原理對相關模擬器件的性能及參數要求較高，不便于集成。在需要A／D轉換的應用中一般很難將高性能的A／D進行集成，需要購買相應的IP核；雙斜積分型A／D等的原理因為需要負參考電壓進行反向積分，一般需要雙電源供電或負電壓基準，這給很多應用帶來不便，影響通用性，且速度較慢，一般不支持通訊和顯示二者并存的功能。為了解決上述問題，采用DPWM技術進行模／數轉換，一方面為缺乏A／D資源的MCU，FPGA等應用提供便利的解決方案，另一方面本方案對模擬器件的性能無特殊要求，便于集成，可用于芯片的制造，且成本較低，可適用于單電源工作，采用快速搜索算法后可使轉換速率提高，同時具備通訊和顯示二者并存的功能。

1 高速高精度積分型模／數轉換器原理
這里采用的轉換器，其基本的工作原理是通過DP-WM模塊產生脈寬信號(DPWM)。該信號通過簡單的RC低通濾波器進行濾波后，通過比較器與被檢測信號比較、處理再經比較器發(fā)出。最后通過邏輯運算模塊對上述比較器發(fā)出的信號進行拾取、分析，得到被檢測信號的相關信息，并發(fā)送給通訊模塊及顯示模塊，具體方案如圖1所示。該轉換器采用DPWM原理實現，其發(fā)出信號的占空比與被測量有確定的對應關系，避免了高精度模／數轉換器模擬電路設計的復雜性，采用快速搜索算法后可使轉換速率提高。

1．1 數字脈寬調制模塊設計
該轉換器的核心控制部分可由單片機、DSP，FP-GA等實現。主要完成DPWM的發(fā)生、模擬信號的測量及A／D轉換結果的顯示控制。該設計原型采用Cy-cloneⅡFPGA為控制芯片，其程序的整體結構如圖2所示。

具體工作過程：通過鎖相環(huán)得到高速時鐘，用于產生高分辨率的DPWM信號；利用按一定規(guī)律調整占空比的DPWM信號實現外部電容電壓的控制，與輸入模擬量信號比較，直到比較器翻轉，此時的Duty×Vref即為A／D轉換結果。在系統(tǒng)中，輸入50 MHz時鐘，通過鎖相環(huán)倍頻到400 MHz，A／D轉換精度達到165μV，具體設計如圖3所示，其信號功能如表1所示。

1．2 DPWM發(fā)生器設計
DPWM發(fā)生模塊通過實時更新的占空比設定值，發(fā)出高分辨率的DPWM信號。在該系統(tǒng)中，DPWM信號的頻率為20 kHz，DPWM精度為20 000個時鐘周期／占空比。如圖4所示，其信號功能如表2所示。

1．3 模擬量監(jiān)測器設計
該模塊的主要功能是實時監(jiān)測對比結果INT，不斷調整DUTY，得到最終的轉換結果Duty display。模擬開關控制信號ASW則完成一個監(jiān)測過程的控制。過程如下：電容放電→對地測量校準→模擬測量(占空比改變)→比較器翻轉完成轉換。以上3步不斷循環(huán)。模擬測量模塊如圖5所示，其信號功能如表3所示。