基于DPWM的高速高精度积分型模数转换器

1．4 显示控制器模块设计
该模块主要完成通知主模块显示更新的任务，在该设计中，更新周期为100 ms。显示控制模块如图6所示，其信号功能如表4所示。

2 高速高精度积分型模／数转换器优点
2．1 满足单电源供电条件
在许多应用中出于成本或系统可靠性等考虑，采用单电源供电。传统积分型模／数转换器需采用正负双电源供电，积分器对输入电压在固定的时间间隔内积分，该时间间隔通常对应于内部计数单元的最大数，时间到达后将计数器复位，并将积分器输入连接负电源电压。在这个反极性信号作用下，积分器被“反向积分”直到输出回到零，并使计数器终止，积分器复位。积分型模／数转换器的精度可做得很高，但它们的采样速度和带宽都非常低。
在此提出的基于DPWM原理实现的积分型模／数转换器可实现单电源+5 V供电。在被测信号DPWM信号的极性相同时，使用单电源供电的可行性显示，若被测信号与DPWM信号的极性相反时，可采用运放反相放大器的方法在单电源条件下进行极性转换，故该方案可工作在单电源条件下而无需额外增加负电源，原理如图7所示。此时，VO=-R2Vin／R1，由于VinO，则 VO>0，满足单电源供电条件。
2．2 便于芯片集成
该积分型模／数转换器是采用DPWM原理实现的，模拟器件极少。它主要实现方法在于仅需要产生DPWM模块，外部仅需增加一个普通的模拟运算放大器和通信与运算等必要的逻辑单元即可；且易于在FP-GA中实现，其代码可方便用于集成芯片设计。相比较而言，它比传统的模／数转换器制造高精度、高线性度的模拟单元要容易得多。该转换器设计合理，结构简单，其发出信号占空比与被测量有确定的对应关系，避免了高精度模／数转换器模拟电路设计的复杂性，便于集成芯片设计，可用于芯片的制造，且成本较低，也便于单片机和可编程门阵列等的实现。
2．3 快速搜索算法提高A／D转换速度
初始搜索采用有限步二分法、黄金分割法或随机搜索(如蒙特卡罗等方法)，快速确定搜索范围，再进行占空比遍历，可大大提高A／D转换速度。
2．4 采用抖动方法提高DPWM精度
由于不采用额外措施，DPWM的精度取决于开关频率和FPGA主频。为追求更高精度，可提高主频或降低开关频率。一味提高主频不现实，显著降低开关频率会影响转换速度。采用抖动方法可较方便地提高DPWM精度。采用该方法可降低主频和功耗，从而降低成本。另外，还可在同等成本下提高性能。
2．5 需要注意的几个问题
比较器在临界状态会发生振荡，可考虑滞环比较和逻辑封锁的方法处理。PWM的基准需要较稳定的基准源；精度和转换速度之间的矛盾可根据具体需要加以协调；数字开关噪声的影响需要精心的布线和滤波加以抑制；可适当采用自动增益技术提高低压测量精度。
3 实验结果
本文DPWM输出波形如图8所示。经低通滤波器后其积分测试波形如图9所示。该模／数转换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，基于DPWM原理实现的高速、高精度、积分型模／数转换器可方便地由单片机、DSP，FP-GA等实现。无需外接模／数转换器，且便于集成芯片设计，避免了高精度A／D转换器模拟电路设计的复杂性，可为集成和相关IC设计提供有益的方法，采用快速搜索算法后可使转换速率提高，且同时具备通信和显示二者并存的功能，适用于更广泛的应用场合。