自適用控制A/D轉換編碼電路的設計與應用

摘要：本文介紹了一種自適應控制A/D轉換編碼電路,著重分析了調理電路自動增益控制、誤差補償與A/D轉換編碼原理,探討了該電路的局限性,給出了自適應控制A/D轉換編碼電路設計方案及其與微處理器的接口應用。

關鍵詞：自動增益控制 自適應控制 誤差補償 A/D轉換 微處理器

在數據采集系統中,通常需要盡量將模擬信號子樣放大到接近A/D轉換電路的滿度值,以充分利用A/D轉換器的分辨能力。然而,在某些應用領域,一方面信號子樣有效幅值輸入范圍較小,另一方面信號又極其微弱,因此,一般需要調理電路具備100dB以上的信號放大能力,而運放和采樣裝置引入的失調可能高達100～200μV,同時還具有一定的時、熱漂移。而在某些應用領域,信號子樣有效幅值輸入范圍又可能較大。顯然,固定增益信號調理電路無法兼顧對上述兩類信號子樣的高分辨率A/D轉換。為提高信號調理電路對信號的自適應能力,設計者往往希望系統能根據信號的強弱自動調整增益并實現高保真信號調理。本文介紹一種采用自適應控制A/D轉換編碼電路來實現信號自適應調理的方法。該方法同時具有自動增益控制、失調與溫漂自動補償和A/D轉換編碼控制等功能。

1 自動控制循環放大及誤差補償

利用圖1所示電路可直接完成對±10μV～±5V信號的自動增益放大并實現12位A/D轉換編碼,并在信號調理過程中使增益隨信號的強弱自動調節,運放失調誤差可被自動補償,從而實現極高的信噪比。該電路主要由模擬開關S1～S10、運放OP1與OP2（主放大器、精密電平比較器）、比較器OP3與OP4、精密電阻R1～R3及Rf、采樣保持器A1與A2構成。OP1與OP2選擇低漂移運放,OP3、OP4為普通集電極開路輸出比較器。電路工作過程為信號及誤差采樣、自動增益控制循環放大和循環編碼A/D轉換3個階段。

1.1 信號及誤差采樣

一般放大電路主要存在三個誤差：主運放OP1的失調誤差E0、采保器A1與A2的誤差E1和E2。E0、E1及E2均折算于OP1同相輸入端。

在第1采樣周期,開關S1、S4及S10閉合,其它斷開。電路完成對E0、E1的采樣。OP1同相組態增益K1=1+Rf/R1=7/4。此周期結束后,采保器A1的輸出電壓為：

Vp=(7/4)E0+E1

在第2采樣周期,開關S2、S7及S11閉合,其它斷開。OP1同相組態增益K2=1+Rf/R2=2。這時第一采樣周期輸出Vp被放大,同時再計入E0、E1的影響,采保器A2的輸出電壓為：

VQ=2Vp+2E0+E2

輸入信號采樣過程在第3周期內完成。此時,開關S3、S5及S10閉合,其它斷開。對誤差電壓VQ而言,OP1呈反相組態,反相增益K3=-（Rf/R3）=-（2/3）。對信號子樣VE,OP1呈同相組態,同相增益K4=1-K3=5/3。此周期結束后,電容C1上的電壓為：

VM=（5/3）VE+（5/3）E0-（2/3）VQ