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。現有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、處理再經比較器發出。最后通過邏輯運算模塊對上述比較器發出的信號進行拾取、分析，得到被檢測信號的相關信息，并發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：通過鎖相環得到高速時鐘，用于產生高分辨率的DPWM信號；利用按一定規律調整占空比的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。在系統中，輸入50 MHz時鐘，通過鎖相環倍頻到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發生器設計
DPWM發生模塊通過實時更新的占空比設定值，發出高分辨率的DPWM信號。在該系統中，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 模擬量監測器設計
該模塊的主要功能是實時監測對比結果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。模擬測量模塊如圖5所示，其信號功能如表3所示。