基于微差原理的A／D转换方法分析与应用

2　测量原理

2．1　测量电路的组成

基于微差原理的测量电路原理框图如图2—1所示。由图可知，测量电路由以下部分组成：

（1）A／D转换器

若记A／D转换器的单位数字所表示的电压为u，则12位A／D转换器的量程L为2¹²u。

（2）比较电压发生器

比较电压发生器由12位D／A转换器实现。由于它与A／D转换器共用同一个基准电压V_R，故两者的单位数字量表示的模拟电压相等，均为u。比较电压发生器可产生0～2¹² u的比较电压V_C。

（3）可编程增益放大器

可编程增益放大器可由12位D／A转换器实现［2］。即将D／A转换器的R_fb引脚改接输入信号v_D，而D／A转换器的V_REF引脚改接D／A转换器输出缓冲放大器的输出端U₀即可。电路如图2-2所示。其绝对增益为

式中　A_p———可编程增益放大器的绝对增益；

D_p———写入D／A转换器的数据。

由式（2—1）可见，可编程增益放大器可实现的增益设定范围为1～4 096。

（4）减法器
减法器由高共模抑制比的仪用放大器组成。其输出vD为
v_D＝v_I－V_C（2—2）
式中v_I———经多路开关选择的某一路被测量；
V_C———比较电压发生器的输出电压。

2．2　测量方法与结果计算

微差法的设计思想是：不直接对被测量x进行测量，而是取一个与其相差较小的高精度标准量N，测出它们的差值（N－x），然后再根据公式x＝N－（N－x）计算出被测量。被测量与标准量的差值越小，测量结果的精度就越高［3］。基于这一原理，将输入电压v_I与标准量（比较电压V_C）相比较，通过减法器得到两者的差值，再由可编程增益放大器和A／D转换器实现对这一差值的精确测量，就可还原出输入信号v_I的数值：
   
式是　

v_D———微差量，即减法器的输出电压；
v₀———可编程增益放大器的输出电压；
D_C———写入比较电压发生器的数据；
D₀———A／D转换器的输出数据；
D_p———写入可编程增益放大器的数据；
u———单位数字量表示的模拟电压。
记v_I＝D_iu，则

这就是测量结果数据合成公式。若要计算D_i的变化量ΔD_i，只要在每次测量某一通路时，选用同一比较电压，即D_C保持不变，就可得到：
　　ΔD_i＝D_tΔD₀／2¹²（2—5）

3　固定相对微差的测量方法　　

放大器的增益设定应满足以下原则：

（1）在同一输入信号的反复测量中，应采用同一比较电压V_C和同一增益设定值A_p，这样在计算输入信号的变化量时，可避免引入系统误差；

（2）可编程增益放大器的增益不宜过大或过小，取值应依据微差量的变化范围而定。

依据这一原则，取被测量v_I与比较量V_C的最大允许偏差为微差量v_D的量程L_D。可知L_D与A／D转换器的量程L的关系为：

 下面举例说明放大器增益设定的方法：若单位数字量表示的模拟电压u＝1 mV，输入信号vI＝100mV