基于DPWM的高速高精度積分型模數轉換器

1．4 顯示控制器模塊設計
該模塊主要完成通知主模塊顯示更新的任務，在該設計中，更新周期為100 ms。顯示控制模塊如圖6所示，其信號功能如表4所示。

2 高速高精度積分型模／數轉換器優點
2．1 滿足單電源供電條件
在許多應用中出于成本或系統可靠性等考慮，采用單電源供電。傳統積分型模／數轉換器需采用正負雙電源供電，積分器對輸入電壓在固定的時間間隔內積分，該時間間隔通常對應于內部計數單元的最大數，時間到達后將計數器復位，并將積分器輸入連接負電源電壓。在這個反極性信號作用下，積分器被“反向積分”直到輸出回到零，并使計數器終止，積分器復位。積分型模／數轉換器的精度可做得很高，但它們的采樣速度和帶寬都非常低。
在此提出的基于DPWM原理實現的積分型模／數轉換器可實現單電源+5 V供電。在被測信號DPWM信號的極性相同時，使用單電源供電的可行性顯示，若被測信號與DPWM信號的極性相反時，可采用運放反相放大器的方法在單電源條件下進行極性轉換，故該方案可工作在單電源條件下而無需額外增加負電源，原理如圖7所示。此時，VO=-R2Vin／R1，由于VinO，則 VO>0，滿足單電源供電條件。
2．2 便于芯片集成
該積分型模／數轉換器是采用DPWM原理實現的，模擬器件極少。它主要實現方法在于僅需要產生DPWM模塊，外部僅需增加一個普通的模擬運算放大器和通信與運算等必要的邏輯單元即可；且易于在FP-GA中實現，其代碼可方便用于集成芯片設計。相比較而言，它比傳統的模／數轉換器制造高精度、高線性度的模擬單元要容易得多。該轉換器設計合理，結構簡單，其發出信號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，便于集成芯片設計，可用于芯片的制造，且成本較低，也便于單片機和可編程門陣列等的實現。
2．3 快速搜索算法提高A／D轉換速度
初始搜索采用有限步二分法、黃金分割法或隨機搜索(如蒙特卡羅等方法)，快速確定搜索范圍，再進行占空比遍歷，可大大提高A／D轉換速度。
2．4 采用抖動方法提高DPWM精度
由于不采用額外措施，DPWM的精度取決于開關頻率和FPGA主頻。為追求更高精度，可提高主頻或降低開關頻率。一味提高主頻不現實，顯著降低開關頻率會影響轉換速度。采用抖動方法可較方便地提高DPWM精度。采用該方法可降低主頻和功耗，從而降低成本。另外，還可在同等成本下提高性能。
2．5 需要注意的幾個問題
比較器在臨界狀態會發生振蕩，可考慮滯環比較和邏輯封鎖的方法處理。PWM的基準需要較穩定的基準源；精度和轉換速度之間的矛盾可根據具體需要加以協調；數字開關噪聲的影響需要精心的布線和濾波加以抑制；可適當采用自動增益技術提高低壓測量精度。
3 實驗結果
本文DPWM輸出波形如圖8所示。經低通濾波器后其積分測試波形如圖9所示。該模／數轉換器具有很高的積分線性度，分辨率為165μ弘V。

4 結 語
由單電源供電，基于DPWM原理實現的高速、高精度、積分型模／數轉換器可方便地由單片機、DSP，FP-GA等實現。無需外接模／數轉換器，且便于集成芯片設計，避免了高精度A／D轉換器模擬電路設計的復雜性，可為集成和相關IC設計提供有益的方法，采用快速搜索算法后可使轉換速率提高，且同時具備通信和顯示二者并存的功能，適用于更廣泛的應用場合。