摘要：提出一种由单电源供电，根据数字脉宽调制(DPWM)原理完结、高速、高精度、积分型模／数转化器的办法。经过对按预置规则改动的脉宽调制信号施行低通滤波后与被测信号比较的办法，完结模／数转化，避免了高精度模／数转化器模仿电路规划的复杂性，并可抵达较高的精度。该办法选用快速查找算法后可进一步进步转化速度，且可便利地由单片机、DSP，FPGA等完结，还可为芯片集成供给有利的办法。
关键词：数字脉宽调制；积分型模／数转化器；可编程门阵列；脉宽调制信号
0 引 言
选用数字信号处理可便利地完结各种先进的自适应算法，完结模仿电路无法完结的功用，因而越来越多的模仿信号处理正在被数字化。现在，运用较多的模／数转化器首要有积分型、逐次迫临型和∑-△型模／数转化器。积分型A／D转化器一般选用双斜积分办法，其原理是将输入电压转化成时刻(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器／计数器取得数字值。长处是用简略电路就能取得高分辨率；缺陷是因为转化精度依赖于积分时刻，转化速率较低。∑-△型A／D转化器由积分器、比较器、1位D／A转化器和数字滤波器等组成，其原理上近似于积分型，将输入电压转化成时刻(脉冲宽度)信号，经数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分根本上简略芯片化，因而简略做到高分辨率，但本钱较高，全体芯片化较难。现有A／D转化器的原理对相关模仿器材的功用及参数要求较高，不便利于集成。在需求A／D转化的运用中一般很难将高功用的A／D进行集成，需求购买相应的IP核；双斜积分型A／D等的原理因为需求负参阅电压进行反向积分，一般需求双电源供电或负电压基准，这给许多运用带来不便利，影响通用性，且速度较慢，一般不支持通讯和显现二者并存的功用。为了处理上述问题，选用DPWM技能进行模／数转化，一方面为缺少A／D资源的MCU，FPGA等运用供给便当的处理计划，另一方面本计划对模仿器材的功用无特殊要求，便于集成，可用于芯片的制作，且本钱较低，可适用于单电源作业，选用快速查找算法后可使转化速率进步，一起具有通讯和显现二者并存的功用。
1 高速高精度积分型模／数转化器原理
这儿选用的转化器，其根本的作业原理是经过DP-WM模块产生脉宽信号(DPWM)。该信号经过简略的RC低通滤波器进行滤波后，经过比较器与被检测信号比较、处理再经比较器宣布。终究经过逻辑运算模块对上述比较器宣布的信号进行拾取、剖析，得到被检测信号的相关信息，并发送给通讯模块及显现模块，详细计划如图1所示。该转化器选用DPWM原理完结，其宣布信号的占空比与被丈量有确认的对应联系，避免了高精度模／数转化器模仿电路规划的复杂性，选用快速查找算法后可使转化速率进步。
1．1 数字脉宽调制模块规划
该转化器的中心操控部分可由单片机、DSP，FP-GA等完结。首要完结DPWM的产生、模仿信号的丈量及A／D转化成果的显现操控。该规划原型选用Cy-cloneⅡFPGA为操控芯片，其程序的全体结构如图2所示。
详细作业进程：经过锁相环得到高速时钟，用于产生高分辨率的DPWM信号；运用按必定规则调整占空比的DPWM信号完结外部电容电压的操控，与输入模仿量信号比较，直到比较器翻转，此刻的Duty×Vref即为A／D转化成果。在体系中，输入50 MHz时钟，经过锁相环倍频到400 MHz，A／D转化精度抵达165μV，详细规划如图3所示，其信号功用如表1所示。
1．2 DPWM产生器规划
DPWM产生模块经过实时更新的占空比设定值，宣布高分辨率的DPWM信号。在该体系中，DPWM信号的频率为20 kHz，DPWM精度为20 000个时钟周期／占空比。如图4所示，其信号功用如表2所示。
1．3 模仿量监测器规划
该模块的首要功用是实时监测比照成果INT，不断调整DUTY，得到终究的转化成果Duty display。模仿开关操控信号ASW则完结一个监测进程的操控。进程如下：电容放电→对地丈量校准→模仿丈量(占空比改动)→比较器翻转完结转化。以上3步不断循环。模仿丈量模块如图5所示，其信号功用如表3所示。
1．4 显现操控器模块规划
该模块首要完结告诉主模块显现更新的使命，在该规划中，更新周期为100 ms。显现操控模块如图6所示，其信号功用如表4所示。
2 高速高精度积分型模／数转化器长处
2．1 满意单电源供电条件
在许多运用中出于本钱或体系可靠性等考虑，选用单电源供电。传统积分型模／数转化器需选用正负双电源供电，积分器对输入电压在固定的时刻距离内积分，该时刻距离一般对应于内部计数单元的最大数，时刻抵达后将计数器复位，并将积分器输入衔接负电源电压。在这个反极性信号效果下，积分器被“反向积分”直到输出回到零，并使计数器停止，积分器复位。积分型模／数转化器的精度可做得很高，但它们的采样速度和带宽都十分低。
在此提出的根据DPWM原理完结的积分型模／数转化器可完结单电源+5 V供电。在被测信号DPWM信号的极性相一起，运用单电源供电的可行性显现，若被测信号与DPWM信号的极性相反时，可选用运放反相放大器的办法在单电源条件下进行极性转化，故该计划可作业在单电源条件下而无需额定添加负电源，原理如图7所示。此刻，VO=-R2Vin／R1，因为VinO，则 VO>0，满意单电源供电条件。
2．2 便于芯片集成
该积分型模／数转化器是选用DPWM原理完结的，模仿器材很少。它首要完结办法在于仅需求产生DPWM模块，外部仅需添加一个一般的模仿运算放大器和通讯与运算等必要的逻辑单元即可；且易于在FP-GA中完结，其代码可便利用于集成芯片规划。相比较而言，它比传统的模／数转化器制作高精度、高线性度的模仿单元要简略得多。该转化器规划合理，结构简略，其宣布信号占空比与被丈量有确认的对应联系，避免了高精度模／数转化器模仿电路规划的复杂性，便于集成芯片规划，可用于芯片的制作，且本钱较低，也便于单片机和可编程门阵列等的完结。
2．3 快速查找算法进步A／D转化速度
初始查找选用有限步二分法、黄金分割法或随机查找(如蒙特卡罗等办法)，快速确认查找规模，再进行占空比遍历，可大大进步A／D转化速度。
2．4 选用颤动办法进步DPWM精度
因为不选用额定办法，DPWM的精度取决于开关频率和FPGA主频。为寻求更高精度，可进步主频或下降开关频率。一味进步主频不现实，明显下降开关频率会影响转化速度。选用颤动办法可较便利地进步DPWM精度。选用该办法可下降主频和功耗，然后下降本钱。别的，还可在平等本钱下进步功用。
2．5 需求留意的几个问题
比较器在临界状态会产生振动，可考虑滞环比较和逻辑封闭的办法处理。PWM的基准需求较安稳的基准源；精度和转化速度之间的对立可根据详细需求加以和谐；数字开关噪声的影响需求精心的布线和滤波加以按捺；可适当选用自动增益技能进步低压丈量精度。
3 试验成果
本文DPWM输出波形如图8所示。经低通滤波器后其积分测验波形如图9所示。该模／数转化器具有很高的积分线性度，分辨率为165μ弘V。
4 结 语
由单电源供电，根据DPWM原理完结的高速、高精度、积分型模／数转化器可便利地由单片机、DSP，FP-GA等完结。无需外接模／数转化器，且便于集成芯片规划，避免了高精度A／D转化器模仿电路规划的复杂性，可为集成和相关IC规划供给有利的办法，选用快速查找算法后可使转化速率进步，且一起具有通讯和显现二者并存的功用，适用于更广泛的运用场合。
