基于微差原理的A／D轉換方法分析與應用

2　測量原理

2．1　測量電路的組成

基于微差原理的測量電路原理框圖如圖2—1所示。由圖可知，測量電路由以下部分組成：

（1）A／D轉換器

若記A／D轉換器的單位數字所表示的電壓為u，則12位A／D轉換器的量程L為2¹²u。

（2）比較電壓發生器

比較電壓發生器由12位D／A轉換器實現。由于它與A／D轉換器共用同一個基準電壓V_R，故兩者的單位數字量表示的模擬電壓相等，均為u。比較電壓發生器可產生0～2¹² u的比較電壓V_C。

（3）可編程增益放大器

可編程增益放大器可由12位D／A轉換器實現［2］。即將D／A轉換器的R_fb引腳改接輸入信號v_D，而D／A轉換器的V_REF引腳改接D／A轉換器輸出緩沖放大器的輸出端U₀即可。電路如圖2-2所示。其絕對增益為

式中　A_p———可編程增益放大器的絕對增益；

D_p———寫入D／A轉換器的數據。

由式（2—1）可見，可編程增益放大器可實現的增益設定范圍為1～4 096。

（4）減法器
減法器由高共模抑制比的儀用放大器組成。其輸出vD為
v_D＝v_I－V_C（2—2）
式中v_I———經多路開關選擇的某一路被測量；
V_C———比較電壓發生器的輸出電壓。

2．2　測量方法與結果計算

微差法的設計思想是：不直接對被測量x進行測量，而是取一個與其相差較小的高精度標準量N，測出它們的差值（N－x），然后再根據公式x＝N－（N－x）計算出被測量。被測量與標準量的差值越小，測量結果的精度就越高［3］。基于這一原理，將輸入電壓v_I與標準量（比較電壓V_C）相比較，通過減法器得到兩者的差值，再由可編程增益放大器和A／D轉換器實現對這一差值的精確測量，就可還原出輸入信號v_I的數值：
   
式是　

v_D———微差量，即減法器的輸出電壓；
v₀———可編程增益放大器的輸出電壓；
D_C———寫入比較電壓發生器的數據；
D₀———A／D轉換器的輸出數據；
D_p———寫入可編程增益放大器的數據；
u———單位數字量表示的模擬電壓。
記v_I＝D_iu，則

這就是測量結果數據合成公式。若要計算D_i的變化量ΔD_i，只要在每次測量某一通路時，選用同一比較電壓，即D_C保持不變，就可得到：
　　ΔD_i＝D_tΔD₀／2¹²（2—5）

3　固定相對微差的測量方法　　

放大器的增益設定應滿足以下原則：

（1）在同一輸入信號的反復測量中，應采用同一比較電壓V_C和同一增益設定值A_p，這樣在計算輸入信號的變化量時，可避免引入系統誤差；

（2）可編程增益放大器的增益不宜過大或過小，取值應依據微差量的變化范圍而定。

依據這一原則，取被測量v_I與比較量V_C的最大允許偏差為微差量v_D的量程L_D。可知L_D與A／D轉換器的量程L的關系為：

 下面舉例說明放大器增益設定的方法：若單位數字量表示的模擬電壓u＝1 mV，輸入信號vI＝100mV