基于DPWM的高速高精度积分型模数转换器

0 引 言

　　采用数字信号处理可方便地实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此越来越多的模拟信号处理正在被数字化。目前，应用较多的模／数转换器主要有积分型、逐次逼近型和∑-△型模／数转换器。积分型A／D转换器一般采用双斜积分方式，其原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器／计数器获得数字值。优点是用简单电路就能获得高分辨率；缺点是由于转换精度依赖于积分时间，转换速率较低。∑-△型A／D转换器由积分器、比较器、1位D／A转换器和数字滤波器等组成，其原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，经数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易芯片化，因此容易做到高分辨率，但成本较高，整体芯片化较难。现有A／D转换器的原理对相关模拟器件的性能及参数要求较高，不便于集成。在需要A／D转换的应用中一般很难将高性能的A／D进行集成，需要购买相应的IP核；双斜积分型A／D等的原理因为需要负参考电压进行反向积分，一般需要双电源供电或负电压基准，这给很多应用带来不便，影响通用性，且速度较慢，一般不支持通讯和显示二者并存的功能。为了解决上述问题，采用DPWM技术进行模／数转换，一方面为缺乏A／D资源的MCU，FPGA等应用提供便利的解决方案，另一方面本方案对模拟器件的性能无特殊要求，便于集成，可用于芯片的制造，且成本较低，可适用于单电源工作，采用快速搜索算法后可使转换速率提高，同时具备通讯和显示二者并存的功能。

　　1 高速高精度积分型模／数转换器原理

　　这里采用的转换器，其基本的工作原理是通过DP-WM模块产生脉宽信号(DPWM)。该信号通过简单的RC低通滤波器进行滤波后，通过比较器与被检测信号比较、处理再经比较器发出。最后通过逻辑运算模块对上述比较器发出的信号进行拾取、分析，得到被检测信号的相关信息，并发送给通讯模块及显示模块，具体方案如图1所示。该转换器采用DPWM原理实现，其发出信号的占空比与被测量有确定的对应关系，避免了高精度模／数转换器模拟电路设计的复杂性，采用快速搜索算法后可使转换速率提高。

　　1．1 数字脉宽调制模块设计

　　该转换器的核心控制部分可由单片机、DSP，FP-GA等实现。主要完成DPWM的发生、模拟信号的测量及A／D转换结果的显示控制。该设计原型采用Cy-cloneⅡFPGA为控制芯片，其程序的整体结构如图2所示。

　　具体工作过程：通过锁相环得到高速时钟，用于产生高分辨率的DPWM信号；利用按一定规律调整占空比的DPWM信号实现外部电容电压的控制，与输入模拟量信号比较，直到比较器翻转，此时的Duty×Vref即为A／D转换结果。在系统中，输入50 MHz时钟，通过锁相环倍频到400 MHz，A／D转换精度达到165μV，具体设计如图3所示，其信号功能如表1所示。

　　1．2 DPWM发生器设计

　　DPWM发生模块通过实时更新的占空比设定值，发出高分辨率的DPWM信号。在该系统中，DPWM信号的频率为20 kHz，DPWM精度为20 000个时钟周期／占空比。如图4所示，其信号功能如表2所示。

　　1．3 模拟量监测器设计

　　该模块的主要功能是实时监测对比结果INT，不断调整DUTY，得到最终的转换结果Duty display。模拟开关控制信号ASW则完成一个监测过程的控制。过程如下：电容放电→对地测量校准→模拟测量(占空比改变)→比较器翻转完成转换。以上3步不断循环。模拟测量模块如图5所示，其信号功能如表3所示。

　　1．4 显示控制器模块设计

　　该模块主要完成通知主模块显示更新的任务，在该设计中，更新周期为100 ms。显示控制模块如图6所示，其信号功能如表4所示。

　　2 高速高精度积分型模／数转换器优点

　　2．1 满足单电源供电条件

　　在许多应用中出于成本或系统可靠性等考虑，采用单电源供电。传统积分型模／数转换器需采用正负双电源供电，积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应于内部计数单元的最大数，时间到达后将计数器复位，并将积分器输入连接负电源电压。在这个反极性信号作用下，积分器被"反向积分"直到输出回到零，并使计数器终止，积分器复位。积分型模／数转换器的精度可做得很高，但它们的采样速度和带宽都非常低。

　　在此提出的基于DPWM原理实现的积分型模／数转换器可实现单电源+5 V供电。在被测信号DPWM信号的极性相同时，使用单电源供电的可行性显示，若被测信号与DPWM信号的极性相反时，可采用运放反相放大器的方法在单电源条件下进行极性转换，故该方案可工作在单电源条件下而无需额外增加负电源，原理如图7所示。此时，VO=-R2Vin／R1，由于Vin<O，则 VO>在此提出的基于DPWM原理实现的积分型模／数转换器可实现单电源+5 V供电。在被测信号DPWM信号的极性相同时，使用单电源供电的可行性显示，若被测信号与DPWM信号的极性相反时，可采用运放反相放大器的方法在单电源条件下进行极性转换，故该方案可工作在单电源条件下而无需额外增加负电源，原理如图7所示。此