专利名称：数模式幅控法对称积分模/数转换器及转换方法
技术领域：
本发明涉及一种对称积分模/数转换器及转换方法，特别是其中采用了一种数模式幅控法原理。可用于低速数字采集单元及数学多用表。
现有技术中，用于对称积分模/数转换器及转换方法，多采用时控法原理，根据预知的被测电压近似值，用定时器直接控制积分时序，在定时积分时间(T0)的中间部位引入对基准电压的积分，并使之与被测电压基本平衡，实现对称积分配置。然而，在一般情况下，被测电压为未知，因此需进行预采样，即二次采样方案，经常会因被测电压波动发生过载，不仅影响测量精度及分辨率，甚至导致该次测量失败。
本发明的目的在于提供一种借助MCU，辅助A/D及D/A实现幅控法对称积分的方案，提供达到高精度，高分辨率，不导致过载的一种数模式幅控法对称积分模/数转换器及转换方法。
本发明的技术内容包括，一种数模式幅控法对称积分模/数转换器，它是由积分器AI、正峰比较器CMP1、负峰比较器CMP2、零比较器CMP0、正基准电源及其开关PER1、负基准电源及其开关NER1、辅助正基准电源及其开关PER2、辅助负基准电源及其开关NER2、被测输入电路及开关VI、正基准开关控制触发器FF1、负基准开关控制触发器FF2、时钟电路OSC、定时电路TIM、微控制器MCU、电源PS、定压积分控制触发器FFx、偏移积分控制触发器FF0、计数器CNT1、CNT2、计数门电路G1、G2、G3、辅助模/数转换器A/D、数/模转换器D/A及反向放大器A3等电路构成。
其中，微控制器MCU根据辅助A/D对Vx的多次采样结果(Nx)，经处理后控制D/A，其输出作为比较电平Vc1、Vc2，在CMP1、CMP2中和AI输出电平V0进行比较，来控制FF2、FF1的起止。
微控制器MCU按下列(1)′、(2)′式表达的数学模型计算Vc1、Vc2值Vc1＝(Nx/Nm)·Vmx·T0[1-(Nx/Nm)(Vmx/Rx)/(Er1/Rr1)]/(2RxC) ....(1)′Vc2＝-Vc1....(2)′其中，T0为定时积分时间；Er1为基准电压；Rr1为基准支路积分电阻；Vx 被测电压；Rx 被测支路积分电阻；Nx 辅助A/D(22)对Vx的采样结果；Nm 辅助A/D(22)最大数码量；Vmx辅助A/D(22)满度电压；C 为积分电容；其容值的选择应考虑到积分器允许最大输出电压Vm，它取决于积分放大器的参数指标，Vm与积分电容C的关系应符合(3)′式Er1·T0/(8·Rr1·C)＜Vm..........(3)′本发明数模式幅控法对称积分模/数转换器及转换方法，按下列要求进行a、在对被测电压Vx的积分期间(T0)内部分时间引入对与Vx极性相反的基准电压的积分，该积分时间段用Tx0表示b、Tx0位于T0的中间部位，始于(T0-Tx0)/2，止于(T0+Tx0)/2，Tx0与T0需满足(4)′式；Tx0/T0≈Vx/Er1........(4)′c、在T0内，Vx与Er1基本抵消，因此在T0结束时，积分器输出电压基本归零，即V0(T0)≈0；d、在T0内积分器输出V0对时间的积分逼近零，如(5)′式∫oToVo·dt≈0········(5)′]]>e、T0内开关SPR1、SPR2，SNR1动作次数是固定的，与Vx值大小、极性无关；f、Tx0的启停应受控于FF1、FF2并和OSC输出的CLK1严格同步，Tx0应是CLK1周期的整数倍。
t0接于T0后，不管Vx极性如何，也不管T0结束时刻积分器输出电平V0的极性如何，t0不可省略，t0内总是对-Er2积分，至V0＞0止，即使T0结束时刻积分器输出电平V0已经大于零，t0仍然存在，t0的作用是赋于积分器输出以可知的正偏置，确保在tx结束时积分器输出从固定的方向积分回归零电压，消除CMP0输出从不同方向过零时比较电平差的影响。t0的启停用CLK2同步，其最小值为计数脉冲周期1/f2。
tx内对Er2积分，计数频率为f2，计数最小当量为LSB。
将Tx0对CLK1(频率为f1)的计数值作为模/数转换的高位值，Tx0与tx内计数值的当量比K0按(6)′式计算K0＝(Er1/Er2)·(Rr2/Rr1)·(f2/f1)....(6)′模/数转换最后结果(数码N)按(7)′计算N＝S·K0·f1·Tx0+f2·(t0-tx).....(7)′当Vx＜0时，Tx0期间接入正基准，S＝-1；反之，S＝1。
本发明的优点在于根据辅助A/D对被测电压Vx的多次测量结果的平均值，用微控制器根据适当的数学模型实时控制D/A输出，作为正、负峰比较器的比较电平，实现按幅控法对称配置积分，达到高精度的效果。
图1是本发明结构原理图；图2是本发明的电路主要时序及波形图；下面结合
具体实施例方式如图1、图2所示，一种数模式幅控法对称积分模/数转换器，其特征在于它是由积分器AI 1、正峰比较器CMP12、负峰比较器CMP23、零比较器CMP04、正基准电源及其开关PER15、负基准电源及其开关NER16、辅助正基准电源及其开关PER27辅助负基准电源及其开关NER28、被测输入电路及开关VI9、正基准开关控制触发器FF110、负基准开关控制触发器FF211、时钟电路OSC 12、定时电路TIM 13、微控制器MCU 14、电源PS 15、定压积分控制触发器FFx 16、偏移积分控制触发器FF017、计数器CNT118、CNT219、计数门电路G120、G221、G325、辅助模/数转换器A/D 22、数/模转换器D/A 23、反向放大器A324电路构成。
其中，OSC 12发生供同步及计数用的时钟信号CLK1、CLK2。CLK2的频率f2应是CLK1频率f1的整数倍。TIM 13产生定时积分周期T0，此时接通VI 9、NER16内的开关，开始对Vx、-Er1积分。此外，定时电路TIM 13向FF110、FF211、G325分别提供定时脉冲信号P0、P1、P2。其中，P0、P2之间隔为T0，P1位于两者正中间。AI 1的输出V0加到CMP04、CMP12、CMP23的输入端，FF110、FF211根据CMP12、CMP23在T0期间内的输出电平，产生控制PER15内二个开关信号，如图1。FF017产生t0信号，t0始于T0结束，t0终止受CMP04电平控制，t0要和CLK2同步。FFx 16产生tx信号，tx终止受CMP04控制。CNT118在Tx0内对CLK1计数；CNT219在t0，tx内对CLK2做双向计数。
D/A 23、A324的输出电压Vc1、Vc2分别加到CMP12、CMP23作为比较电平，与AI 1的输出电平V0进行模拟比较。CMP23输出为逻辑1时(V0＜Vc2)，在时钟配合下使FF110复位。CMP12输出为逻辑1时(V0＞Vc1)，在时钟配合下使FF211置1。FF110、FF211的时钟为CLK1、FF110、FF211的输出Q1、Q2和时钟CLK1同步。Q1、Q2仅在T0内作用，除控制PER15中的二个开关SPR1、SPR2外，还在G325内经“异或”处理产生Tx0信号，不仅送G120控制高位计数门，还要和信号P1“与非”后控制FF110、FF211，如图1所示。
T0内当积分器输出V0达到CMP112或CMP23的比较电平Vc1、Vc2时，将进入Tx0期间，引入对反极性基准的积分，使积分器输出电平返回。当Vx＞0时，Tx0期间FF110、FF211无输出，Q1、Q2为0，PER15的开关SPR1、SPR2与Er1断开，仅NER16的-Er1接入；反之，Vx＜0时，Tx0期间Q1、Q2均为1，PER15的开关SPR1、SPR2均与Er1接通。
微控制器MCU 14根据辅助A/D 22对Vx的累积采样结果(Nx)按(1)′、(2)′式数学模型随时控制D/A 23，并经A324输出的Vc1、Vc2作为CMP12、CMP23的限幅比较电平，从而实现以控制积分器幅值的办法，达到对称积分配置进一步减少误差。在该实施例中，MCU、A/D、D/A均已集成于同一芯片之中，即选用内含A/D、D/A的MCU。
Vc1＝(Nx/Nm)Vmx·T0[1-(Nx/Nm)(Vmx/Rx)/(Er1/Rr1)]/(2·Rx·C) ....(1)′Vc2＝-Vc1....(2)′其中，T0为定时积分时间；Er1为基准电压；Rr1为基准支路积分电阻；Vx 被测电压；Rx 被测支路积分电阻；Nx 辅助A/D(22)对Vx的采样结果；Nm 辅助A/D(22)最大数码量；Vmx辅助A/D(22)满度电压；C 为积分电容；其容值的选择应考虑到积分器允许最大输出电压Vm，它取决于积分放大器的参数指标，Vm与积分电容C的关系应符合(3)′Er1·T0/(8·Rr1·C)＜Vm ..........(3)′
本发明数模式幅控法对称积分模/数转换器及转换方法，按下列要求进行a、T0应是工频周期的整数倍，并且与CLK1同步，即T0由CLK1分频而来。
b、在对被测电压Vx的积分期间，引入对与Vx极性相反的基准电压的积分，该积分时间段用Tx0表示c、Tx0位于T0的中间部位，始于(T0-Tx0)/2，止于(T0+Tx0)/2，Tx0与T0需满足(4)′式；Tx0/T0≈Vx/Er1........(4)′d、在T0内，Vx与Er1基本抵消，因此在T0结束时，积分器输出电压基本归零，即V0(T0)≈0；e、在T0内，积分器输出V0对时间的积分逼近零，如(5)′式∫oToVo·dt≈0········(5)′]]>f、T0内开关SPR1、SPR2，SNR1动作次数是固定的，与Vx值大小、极性无关，防止模/数转换特征的非线性与不连续性；g、Tx0的启停应受控于FF1、FF2并和OSC 12输出的CLK1严格同步，Tx0应是CLK1周期的整数倍。
h、t0接于T0后，不管Vx极性如何，也不管T0结束时刻积分器输出电平V0的极性如何，t0不可省略。t0内总是对-Er2积分，至V0＞0止。即使T0结束时刻积分器输出电平V0已经大于零，t0仍然存在，t0作用是赋于积分器输出以可知的正偏置，确保在tx结果时积分器输出从固定的方向积分回归零电平，消除CMP04输出从不同方向过零时比较电平差的影响。t0期间的积分量可从结果中扣出。
j、t0的启停用CLK2同步，其最小值为计数脉冲周期1/f2。
k、tx内对Er2积分，计数频率为f2，计数最小当量为LSB。
1、将Tx0中对CLK1频率为f1的计数为模/拟转换的高位基本值，Tx0与tx内计数值的当量比K0按(6)′式计算；K0＝(Er1/Er2)·(Rr2/Rr1)·(f2/f1)....(6)′转换最后结果(数码N)按(7)′计算N＝S·K0·f1·Tx0+f2·(t0-tx).....(7)′Tx0期间接入正基准时，S＝-1；反之，S＝1。
本发明数模式幅控法对称积分模/数转换器及转换方法，根据辅助A/D对被测电压Vx的多次测量结果，用微控制器以适当的数学模型实时控制D/A输出，作为正、负峰比较器的比较电平，实现对称配置积分，抗过载能力强，容易达到高精度，高分辨率。可用于低速数字采集单元及数字多用表。
权利要求
1.一种数模式幅控法对称积分模/数转换器，其特征在于它是由积分器AI(1)、正峰比较器CMP1(2)、负峰比较器CMP2(3)、零比较器CMP0(4)、正基准电源及其开关PER1(5)、负基准电源及其开关NER1(6)、辅助正基准电源及其开关PER2(7)、辅助负基准电源及其开关NER2(8)、被测输入电路及开关VI(9)、正基准开关控制触发器FF1(10)、负基准开关控制触发器FF2(11)、时钟电路OSC(12)、定时电路TIM(13)、微控制器MCU(14)、电源PS(15)、定压积分控制触发器FFx(16)、偏移积分控制触发器FF0(17)、计数器CNT1(18)、CNT2(19)、计数门电路G1(20)、G2(21)、G3(25)、辅助模/数转换器A/D(22)、数/模转换器D/A(23)、反向放大器A3(24)电路构成。其中，微控制器MCU(14)根据辅助A/D(22)对Vx的多次采样结果(Nx)经处理后控制D/A(23)。D/A输出作为比较电平Vc1、Vc2，在CMP1(2)、CMP2(3)中和AI(1)输出电平V0进行比较，并控制FF2(11)、FF1(10)的起止。为简化电路最好选用内含A/D、D/A的MCU。
2.根据权利要求1所述的一种数模式幅控法对称积分模/数转换器，其特征在于微控制器MCU(14)按下列(1)′、(2)′式数学模型计算得到Vc1、Vc2值；Vc1＝(Nx/Nm)Vmx·T0[1-(Nx/Nm)(Vmx/Rx)/(Er1/Rr1)]/(2RxC)....(1)′Vc2＝-Vc1....(2)′其中，T0为定时积分时间；Er1为基准电压；Rr1为基准支路中积分电阻；Vx被测电压；Rx被测支路积分电阻；Nx 辅助A/D(22)对Vx的采样结果；Nm 辅助A/D(22)最大数码量；Vmx辅助A/D(22)满度电压；C 为积分电容；其容值的选择应考虑到积分器允许最大输出电压Vm(它取决于积分放大器的参数指标)，Vm与积分电容C的关系应符合(3)′Er1·T0/(8·Rr1·C)＜Vm..........(3)′
3.根据权利要求1至2所述数模式幅控法对称积分模/数转换器的转换方法，其特征在于a、在对被测电压Vx的积分期间T0内引入对与Vx极性相反的基准电压的积分，该积分时间段用Tx0表示b、Tx0位于T0的中间部位，始于(T0-Tx0)/2，止于(T0+Tx0)/2，Tx0与T0需满足(4)′式；Tx0/T0≈Vx/Er1.......(4)′c、在T0内，Vx与Er1基本抵消，因此在T0结束时，积分器输出电压基本归零，即V0(T0)≈0；d、在T0内，积分器输出V0对时间的积分逼近零，如(5)′式所示∫oToVo·dt≈0········(5)′]]>e、T0是工频周期的整数倍，T0内内开关SPR1、SPR2，SNR1动作次数是固定的，与Vx值大小、极性无关；f、Tx0的启停应受控于FF1(10)、FF2(11)并和OSC(12)输出的CLK1严格同步，Tx0应是CLK1周期的整数倍。t0接于T0后，不管Vx极性如何，也不管T0结束时刻积分器输出电平V0的极性如何，t0不可省略，t0内总是对-Er2积分，至V0＞0止，即使T0结束时刻积分器输出电平V0已经大于零，t0仍然存在，t0的作用是赋于积分器输出以可知的正偏置，确保在tx期间积分器输出从固定的方向积分回归零电压，消除CMP0(4)输出从不同方向过零时比较电平差的影响。t0的启停用CLK2同步，其最小值为CLK2的周期1/f2。tx内对Er2积分。t0及tx期间均对CLK2计数(计数频率为f2)，计数最小当量为LSB。将Tx0对CLK1频率为f1的计数值作为模/数转换的高位值。Tx0与tx内计数值的当量比K0按(6)′式计算K0＝(Er1/Er2)·(Rr2/Rr1)·(f2/f1)....(6)′模/数转换最后结果(数码N)，按(7)′计算N＝S·K0·f1·Tx0+f2·(t0-tx).....(7)′Vx＜0时，Tx0期间接入正基准，S＝-1；反之，S＝1。
全文摘要
本发明数模式幅控法对称积分模/数转换器及转换方法，根据辅助A/D随时对被测电压Vx的测量结果，微控制器按适当的数学模型实时控制D/A输出，作为正、负峰比较器的比较电平，按幅控法实现对称配置积分，可达到高精度、高分辨率的目的，适用于低速数字采集单元及数字多用表开发。
文档编号H03M1/48GK1158030SQ96113480
公开日1997年8月27日 申请日期1996年12月21日 优先权日1996年12月21日
发明者费宇航, 富致超 申请人:机械工业部哈尔滨电工仪表研究所