一种积分型模数转换器参考电荷补偿方法及装置

1.本发明涉及一种积分型模数转换器，尤其涉及一种积分型模数转换器参考电荷补偿方法及装置。


背景技术：

2.在电子技术领域，参考电荷补偿方法是提高积分型模数转换器测量分辨率的常见方法。本发明主要解决传统利用电阻网络实现参考电荷补偿方法面临的电阻比例漂移影响模数转换精度与稳定性的问题，以及补偿速率不可调整的问题。
3.积分型模数转换器的基本工作原理，是将固定积分时间内被测电压信号的平均值，转换成与之成正比的时间间隔进行测量。其中，积分器饱和容限是限制其测量分辨率提升的主要因素。积分器的饱和容限，一般等于积分电路中运算放大器的输出电压峰
‑
峰值，其决定了被测电压信号在第一积分阶段内允许被积分的最长时间。对于幅值较大的输入信号而言，极短的时间便可使积分器达到饱和。如此，受时间计数器的计时分辨率限制，越短的积分总时间将意味着越低的模数转换分辨率。
4.参考电荷补偿方法是一种有效延长第一积分阶段的积分时间，即提高积分型模数转换器测量分辨率的方法，该方法的核心思想是在第一积分阶段周期性地利用参考电压信号往积分器中输入补偿电荷，以使得积分器中的电荷量永远不会达到饱和状态。由于输入的参考电荷量是已知的，即等同于完成了输入电压信号的高位数字量化，因此在后续的第二积分阶段中，只需要完成剩余差值电荷对应的低位数字量化。如此一来，便达到了提升测量分辨率的目的。
5.传统的参考电荷补偿方法是通过构建电阻网络实现的。如图1所示，在第一积分阶段，开关sa闭合时被测电压信号vi经由电阻ra转换成电流信号ia对积分器j1进行充电，与此同时，开关sb和sc按照既定逻辑有序地闭合或断开，如此一来，参考电压信号vref与
‑
vref便分别经由电阻rb和rc转换成电流信号对积分器j1进行电荷补偿，以保证积分器j1 输出电压vo始终不会超过饱和容限。在上述参考电荷补偿过程中，补偿的电荷总量由参考电压信号vref与
‑
vref的幅值，以及开关sb和sc的闭合时间共同决定。
6.传统基于电阻网络的参考电荷补偿实现方法，虽然能提高模数转换的测量分辨率，但是存在如下两方面问题：
7.第一：在假设第二积分阶段经由电阻rd完成前提下(rd也可以是 ra、rb和rc中的任一个)，电阻比值ra/rd、rb/rd和rc/rd将显含在模数转换的量化结果中，因此电阻元件负载系数、温度系数等因素所导致的电阻阻值变化，将会直接影响模数转换准确性与稳定性。
8.第二：电阻元件rb和rc的量值，决定了参考电荷补偿的速率，无法根据需要进行动态调整。


技术实现要素：

9.为了克服现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种不会对模数转
换的最终结果的准确性和稳定性产生影响且参考电荷补偿速率可调节的积分型模数转换器参考电荷补偿方法及装置
10.为实现上述发明目的，本发明提供了一种积分型模数转换器参考电荷补偿方法，包括如下步骤：
11.步骤1，将被测电压信号接入第一积分电路对第一积分电容进行充电，充电时间为固定时间t1；
12.步骤2，将被测电压信号接入第二积分电路对第二积分电容进行充电，充电时间为固定时间t2，同时，将程控电压参考源接入第一积分电路对第一积分电容进行电荷补偿，记录补偿时间t
a
，其中，所述t2≥t
a
；
13.步骤3，将被测电压信号接入第一积分电路对第一积分电容进行充电，充电时间为固定时间t1，同时，将程控电压参考源接入第二积分电路对第二积分电容进行电荷补偿，记录补偿时间t
b
，其中，所述t1≥t
b
；
14.步骤4，重复执行步骤2和步骤3若干次后结束第一积分阶段。
15.进一步的，步骤2中所述电荷补偿的具体步骤包括：
16.a1：通过控制器设置程控电压参考源初始电压幅值并使程控电压参考源极性与所述被测电压信号相反；
17.a2：将程控电源参考源接入第一积分电路对第一积分电容进行电荷补偿，并同时检测第一过零比较器输出电平变化和第一时间计数器计数值，若补偿时间t
a
＝t2，则结束电荷补偿，进行步骤3，若补偿时间t
a
＜t2且第一过零比较器输出电平变化，则继续执行步骤a3；
18.a3：以固定倍率x缩小程控电压参考源输出电压幅值并改变极性，然后返回执行步骤a2。
19.进一步的，步骤a3还可以是：以固定倍率x缩小程控电压参考源输出电压幅值并改变极性，若此时程控电压参考源输出电压幅值大于等于 |v
ref
|，则返回执行a2，反之则断开程控电压参考源信号并等待第二积分电容充电时间至t2后继续执行步骤3，其中，|v
ref
|表征为最小参考电荷补偿速率对应的参考电压。
20.进一步的，步骤3中所述电荷补偿的具体步骤包括：
21.b1：通过控制器设置程控电压参考源初始电压幅值并使程控电压参考源极性与所述被测电压信号相反；
22.b2：将程控电源参考源接入第二积分电路对第二积分电容进行电荷补偿，并同时检测第二过零比较器输出电平变化和第二时间计数器计数值，若补偿时间t
b
＝t1，则结束电荷补偿，进行步骤4，若补偿时间t
b
＜t1且第二过零比较器输出电平变化，则继续执行步骤b3；
23.b3：以固定倍率x缩小程控电压参考源输出电压幅值并改变极性，然后返回执行步骤b2。
24.进一步的，所述步骤b3还可以是：以固定倍率x缩小程控电压参考源输出电压幅值并改变极性，若此时程控电压参考源输出电压幅值大于等于|v
ref
|，则返回执行b2，反之则断开程控电压参考源信号并等待第二积分电容充电时间至t1后继续执行步骤4，其中，|v
ref
|表征为最小参考电荷补偿速率对应的参考电压。
25.进一步的，步骤1和步骤3中所述的固定充电时间t1和步骤2所述的固定充电时间t2设为相等。
26.进一步的，在执行步骤1之前还包括初始化步骤：通过第一电荷释放电路和第二电荷释放电路将第一积分电容和第二积分电容中的残余电荷释放清零。
27.基于上述发明目的，本发明还提供了一种积分型模数转换器参考电荷补偿装置，其特征在于，包括：
28.第一积分电路，所述第一积分电路包括依次串联的第一程控多路开关、第一积分器和第一过零比较器，所述第一程控多路开关包括至少两个输入端和一个输出端；
29.第二积分电路，所述第二积分电路包括依次串联的第二程控多路开关、第二积分器和第二过零比较器，所述第二程控多路开关包括至少两个输入端和一个输出端；
30.程控电压参考源，所述程控电压参考源用于给所述第一积分电路和所述第二积分电路输出可调节的参考电压，所述程控电压参考源同时电连接第一程控多路开关的第一输入端和第二程控多路开关的第一输入端；
31.被测电压信号输入端，所述被测电压信号输入端同时电连接第一程控多路开关的第二输入端和第二程控多路开关的第二输入端；
32.计时模块，所述计时模块用于测量第一积分电路和第二积分电路的积分时间t1和t2，以及参考电荷补偿的实际时间t
a
和t
b
；
33.控制器，所述控制器被配置为基于所述第一过零比较器和第二过零比较器输出信号以控制所述程控电压参考源、第一程控多路开关、第二程控多路开关和计时模块工作。
34.进一步的，所述第一积分电容两端并联有第一电荷释放电路，所述第一电荷释放电路包括相互串联的第一功率电阻和第一程控单路开关，所述第二积分电容两端并联有第二电荷释放电路，所述第二电荷释放电路包括相互串联的第二功率电阻和第二程控单路开关，所述控制器同时电连接所述第一程控单路开关和所述第二程控单路开关的控制端。
35.进一步的，所述计时模块包括：
36.用于测量第一积分电路的被测电压积分时间t1、参考电荷补偿时间t
a
的第一时间计数器和用于测量第二积分电路的被测电压积分时间t2、参考电荷补偿时间t
b
的第二时间计数器；或
37.用于测量被测电压信号积分时间t1、t2的第一时间计数器和用于测量参考电荷补偿时间t
a
、t
b
的第二时间计数器。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：采用两套积分电路同时进行对被测电压的积分充电和电荷补偿，保证对被测电压信号的连续积分的同时，通过输出电压可调的程控电压参考源对积分电路进行电荷补偿，延长第一积分阶段的积分时间，提高积分型模数转换器的测量分辨率；同时，用输出电压可调的程控电压参考源替代现有技术中的固定电压源和电阻网络组合的技术方案，消除了电阻网络因负载系数、温度系数等因素所导致的电阻阻值变化对电荷补偿过程的影响，而且，通过调整程控电压参考源的电压变化倍率和变化次数可以调节参考电荷补偿的速率，因此本发明的积分型模数转换器参考电荷补偿方法及装置具有极高的稳定性、准确性和适用性。
附图说明
39.图1是现有技术的参考电荷补偿装置电路原理图。
40.图2是本发明实施例的参考电荷补偿装置电路原理框图。
41.图3是本发明实施例的参考电荷补偿方法整体流程图。
42.图4是本发明实施例的第一积分器电荷补偿子程序流程图。
43.图5是本发明实施例的第二积分器电荷补偿子程序流程图。
44.其中，附图标记为：1：程控电压参考源；2：控制器；3：第一时间计数器；4：第二时间计数器；5：第一功率电阻；6：第一程控单路开关； 7：第一积分电容；8：第一过零比较器；9：第一运算放大器；10：第一限流电阻；11：第一电压缓冲器；12：第一程控多路开关；13：第二功率电阻；14：第二程控单路开关；15：第二积分电容；16：第二过零比较器； 17：第二运算放大器；18：第二限流电阻；19：第二电压缓冲器；20：第二程控多路开关；21：被测电压信号输入端。
具体实施方式
45.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面结合附图描述本发明的实施例。
46.如图2所示，一种积分型模数转换器参考电荷补偿装置，包括：第一积分电路、第二积分电路、程控电压参考源1、控制器2、计时模块和被测电压信号输入端21，所述计时模块包括第一时间计数器3和第二时间计数器4。
47.第一积分电路，所述第一积分电路包括依次串联的第一程控多路开关 12、第一积分器和第一过零比较器8，第一积分器包括第一限流电阻10、与第一限流电阻10串联的第一运算放大器9以及并联在第一运算放大器9 两端的第一积分电容7，第一程控多路开关12和第一限流电阻10之间还串联有第一电压缓冲器11，所述第一积分电容7两端还并联有第一电荷释放电路，第一电荷释放电路包括相互串联的第一功率电阻5和第一程控单路开关6，第一程控单路开关6包括一个输入端、一个输出端和一个控制端，所述第一程控多路开关12包括第一输入端、第二输入端、输出端和控制端，第一程控单路开关6的控制端和第一程控多路开关12的控制端均电连接控制器2并由控制器2控制其通断，其中，第一程控多路开关12 由控制器2控制其第一输入端或第二输入端和输出端连通。
48.第二积分电路，所述第二积分电路包括依次串联的第二程控多路开关 20、第二积分器和第二过零比较器16，第二积分器包括第二限流电阻18、与第二限流电阻18串联的第二运算放大器17以及并联在第二运算放大器 17两端的第二积分电容15，第二程控多路开关20和第二限流电阻18之间还串联有第二电压缓冲器19，所述第二积分电容15两端还并联有第二电荷释放电路，第二电荷释放电路包括相互串联的第二功率电阻13和第二程控单路开关14，第二程控单路开关14包括一个输入端、一个输出端和一个控制端，所述第二程控多路开关20包括第一输入端、第二输入端、输出端和控制端，第二程控单路开关14的控制端和第二程控多路开关20 的控制端均电连接控制器2并由控制器2控制其通断，其中，第二程控多路开关20由控制器2控制其第一输入端或第二输入端和输出端连通。
49.程控电压参考源1，所述程控电压参考源1用于给所述第一积分电路和所述第二积
分电路输出可调节的参考电压，所述程控电压参考源1同时电连接第一程控多路开关12的第一输入端和第二程控多路开关20的第一输入端；本实施例中程控电压参考源1选用可编程约瑟夫森量子电压基准装置，可编程约瑟夫森量子电压基准装置(pjvs)输出电压的可调范围宽 (目前最大能力：
±
10v)，且具有10
‑9量级的准确性与稳定性。可编程约瑟夫森结阵(又称pjvs芯片)由多个约瑟夫森子结阵串联组成，其中不同约瑟夫森子结阵所包含的约瑟夫森结数量按照一定的原则排列，如二进制、三进制等。调整pjvs芯片输出量子电压的基本原理，是通过改变不同子结阵中流过的直流驱动电流的方向与幅值，使得不同的子结阵工作在不同的夏皮罗台阶上，此时，不同子结阵两端的量子电压有正有负、有大有小，所有子结阵两端的量子电压总和，即为整个pjvs芯片输出的量子电压。pjvs系统在本发明中的应用过程为：pjvs系统在接收控制器2 发送的目标电压参数后，将自动解算与该目标电压相匹配的子结阵驱动电流并通过其内部的驱动器进行输出，pjvs芯片在接收驱动电流信号之后，即刻产生量子电压。
50.被测电压信号输入端21，被测电压信号输入端21同时电连接第一程控多路开关12的第二输入端和第二程控多路开关20的第二输入端。
51.本实施例中计时模块包括：用于测量第一积分电路的被测电压积分时间t1、参考电荷补偿时间t
a
的第一时间计数器3和用于测量第二积分电路的被测电压积分时间t2和参考电荷补偿时间t
b
的第二时间计数器4。作为另一种实现方式，也可以设置为用于测量被测电压信号积分时间t1、 t2的第一时间计数器3和用于测量参考电荷补偿时间t
a
、t
b
的第二时间计数器4。
52.控制器2，控制器2被配置为基于所述第一过零比较器8和第二过零比较器16的输出信号以控制程控电压参考源1输出电压幅值及输出电压极性、第一程控多路开关12的导通支路、第二程控多路开关20的导通支路和计时模块正常工作。
53.如图3所示，一种积分型模数转换器参考电荷补偿方法，包括如下步骤：
54.(1)初始化电路并设定参数x＝b，y＝n，z＝m；其中，程控电压参考源1的初始电压幅值设为x
y
×
|v
ref
|，变量z用于表征程序循环次数，则被测电压信号的有效积分时间t＝z(t1+t2)，x、y、z均设为大于1的正整数，为了方便说明，本实施例将第一积分电路和第二积分电路设为参数完全相同的电路，同时令固定积分时间t1＝t2。
55.(2)通过控制器2控制，第一程控单路开关6和第二程控单路开关 14闭合，第一积分电容6、第二积分电容14中的残余电荷分别通过第一功率电阻5、第二功率电阻13快速释放并清零，然后断开第一程控单路开关6和第二程控单路开关14。防止第一积分电容6和第二积分电容14中的残余电荷对模数转换过程产生影响。
56.(3)令变量z＝z
‑
1，第一时间计数器3开始计时，第一程控多路开关 12闭合通道a，被测电压信号经过第一电压缓冲器11缓冲后，通过第一限流电阻10转换成充电电流输入至由第一运算放大器9和第一积分电容7 组成的积分器中进行充电，直至第一时间计数器3计满t1时间后停止。
57.(4)第二时间计数器4开始计时，第二程控多路开关20闭合通道b，被测电压信号经过第二电压缓冲器19缓冲后，通过第一限流电阻18转换成充电电流输入至由第二运算放大器17和第二积分电容15组成的第二积分器中进行充电，直至第二时间计数器4计满t2时间后停止；执行本步骤中上述过程的同时，控制器同时控制第一积分电路执行电荷补偿子程
序，包括：
58.第一程控多路开关12闭合通道b，参考电压信号经由第一电压缓冲器11缓冲后，通过第一限流电阻10转换成充电电流输入至第一积分器中；
59.令变量y＝y
‑
1，通过检测第一过零比较器8输出电平的极性和变量y 的数值使程控电压参考源1输出幅值为x
y
×
|v
ref
|且极性与被测电压信号相反的电压(若被测电压为正电压，初始x，y分别设为10和4，则程控电压参考源1输出1000|v
ref
|的负电压，以下均以此参数作为说明)，当第一程控多路开关12闭合通道b的同时，第一时间计数器3开始计时，直至第一过零比较器8输出电平发生变化，则记录积分时间t3；
60.再次循环上一步骤，每循环执行一次则变量y＝y
‑
1(实则是以x为倍率缩小程控电压参考源1的输出电压)并改变输出电压极性后(此时程控电压参考源1输出100|v
ref
|的正电压)继续对第二积分电容充电，直至第一过零比较器8输出电平再次发生变化，则记录积分时间t2，直至y＝0时，子程序终止，令变量y＝n，并控制第一多路程控开关12复位，此时 t
a
＝t3+t2+t1+t0，t
a
＜t2，若子程序执行过程中出现t
a
＝t2(因为第一计数器 3和第二计数器4同时进行计时，若出现t
a
＝t2则说明第二时间计数器4 已经计满t2)，则立即结束电荷补偿。
61.(5)令变量z＝z
‑
1，第一时间计数器3开始计时，第一程控多路开关 12闭合通道a，被测电压信号经过第一电压缓冲器11缓冲后，通过第一限流电阻10转换成充电电流输入至由第一运算放大器9和第一积分电容7 组成的积分器中进行充电，直至第一时间计数器3计满t1时间后停止；执行本步骤中上述过程的同时，控制器同时控制第二积分电路执行电荷补偿子程序，包括：
62.第二程控多路开关20闭合通道a，参考电压信号经由第二电压缓冲器19缓冲后，通过第二限流电阻18转换成充电电流输入至第一积分器中；
63.令变量y＝y
‑
1，通过检测第二过零比较器16输出电平的极性和变量y 的数值使程控电压参考源1输出幅值为x
y
×
|v
ref
|且极性与被测电压信号相反的电压(若被测电压为正电压，初始x，y分别设为10和4，则程控电压参考源1输出1000|v
ref
|的负电压，以下均以此参数作为说明)，当第二程控多路开关20闭合通道a的同时，第二时间计数器4开始计时，直至第二过零比较器16输出电平发生变化，则记录积分时间t3；
64.再次循环上一步骤，每循环执行一次则变量y＝y
‑
1(实则是以x为倍率缩小程控电压参考源1的输出电压)并改变输出电压极性后(此时程控电压参考源1输出100|v
ref
|的正电压)继续对第二积分电容充电，直至第二过零比较器16输出电平再次发生变化，则记录积分时间t2，直至y＝0 时，子程序终止，将变量y＝n，并控制第二多路程控开关20复位，此时 t
b
＝t3+t2+t1+t0，t
b
＜t1，若子程序执行过程中出现t
b
＝t1(因为第一计数器 3和第二计数器4同时进行计时，若出现t
b
＝t1则说明第一时间计数器3 已经计满t1)，则立即结束电荷补偿，执行下一步骤。
65.(6)重复执行步骤(4)和步骤(5)z
‑
2次后停止第一积分阶段。
66.综上，积分型模数转换器的参考电荷补偿方法通过在第一积分阶段输入参考电压使积分器始终不会饱和来延长第一积分阶段的时间，本发明实施例通过上述方案实现对被测电压信号连续积分的同时，通过输出电压可调的程控电压参考源1对积分电路进行电荷补偿，延长第一积分阶段的积分时间，提高积分型模数转换器的测量分辨率。
67.以上结合具体实施方式描述了本发明的技术方案，但需要说明的是，上述的这些
描述只是为了解释本发明的方案，而不能以任何方式解释为对发明保护范围的具体限制。基于此处的解释，本领域的技术人员在不付出创造性劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式或等同替换，都将落入本发明的保护范围。