提高模数转换器性能的方法

　介绍了在进行数据采集系统设计中，针对输入信号量程减小导致分辨率降低的问题和频率提高导致转换速率不能满足要求的问题，还介绍了为提高模数转换器ADC1674芯片性能所采用的理论依据和基本实现方法。
    关键词：分辨率，量化当量，采样频率

　　在信息技术高速发展的今天，人们要求获取信息的速度越快越好，对获取信息的精度要求也越来越高。模数转换器在各种数据采集和自动控制系统中几乎是必不可少的部件。它的性能指标有若干项，但我们在选择使用的时候，主要考虑的是它的分辨率、转换速度和价格。不同的系统对这些指标的要求都不一样。分辨率是指模数转换器能辨识被测模拟信号的最小模拟电压值，是转换器对输入电压微小变化响应能力的度量，也即数字输出的最低位（1LSB）所对应的输入电平值。它由输入信号的量程和模数转换器的位数来决定。在输入电压满刻度值一定时，位数越多，分辨率就越高。对于n位A／D转换器来说，能够辨识被测信号的最小值为VFS／2n，用选用多位A／D转换器的办法，无疑可以提高它的分辨率，但A／D转换器的价格将随着其位数的增加而成倍增加。对转换速度而言，也同样如此。模拟信号转换成数字信号是需要一定时间的，转换速度越快，在同样的时间内所采样的点数就越多，频率就越高。但高速A／D转换器的价格远远高于中速和低速A／D转换器的价格。我们在使用A／D转换器1674实现数据采集的实践中，找到了在A／D转换器的位数和速度一定的情况下，提高被测信号分辨率和采样频率的方法，现简述如下。

1　提高A／D转换器分辨率
　　对于n位A／D转换器，其输入满刻度值VFS（即量程）和量化当量q之间存在如式（1）所示的关系：
　　q＝（1／2n）VFS（1）
式中，q为量化当量，当输入电压小于此值时，A／D转换器的输出不响应；VFS为输入信号的满刻度值。
　　而对以二进制形式输出n位逐次比较式或并行式A／D转换器，输入信号Vin、输入信号的满刻度值VFS和输出数字信号D之间，存在如式（2）所示的关系：
    D＝（2n－1）Vin／VFS，（2）
从式（2）可以看出，在n一定的条件下，提高被测输入量分辨率的方法有两个：一是在输入电压Vin较小时，将Vin放大，然后再进行A／D转换，这称为量程转换；二是根据Vin的大小，改变A／D的输入信号的满刻度值VFS，即当Vin减小时，相应减小VFS，同样可以达到提高分辨率的效果。下面对这两种方法进行详细说明。
1．1　量程转换提高分辨率
　　A／D转换器1674为一个12位的逐次比较式或并行式A／D转换器，VFS＝10 V，那么，在输入量的整个变化范围0 V～10 V，其分辨率＝10 V／212＝2．4mV，也就是说，数字01表示2．4 mV，A／D转换器最小能分辨2．4 mV的信号；但是，输入量为0V～5 V时，A／D转换器最小能分辨1．2 mV的信号，若将输入信号放大1倍，则1．2 mV信号放大成2．4 mV，A／D转换器仍能分辨，即A／D转换器的分辨率提高了1倍。实现量程转换来提高分辨率的原理如图1所示。
　　图1中，输入信号如果在0 V～2．5 V之间，则不引入补偿电压；若在2．5 V～5 V之间，则引入2．5 V的补偿电压，相抵消后送到运放输入的信号仍是0 V～2．5 V，依次类推。对于不同范围的信号进行不同的补偿，使之补偿以后的值在0 V～2．5 V之间，然后放大4倍，再进行A／D采样。这样，即可实现量程的自动分档，使每档量程均能充分利用A／D转换器的分辨率，使A／D的位数提高2位。即，若A／D为10位，则变成了l2位。补偿电压的引入由软件进行控制，通过选择不同的通道来选择不同的补偿电压，最后的实际数字量由放大倍数及采样值来综合确定。例如：若测得值为F1H，则对应4．4V，除以放大倍数，即为1．1 V，再加上补偿电压即得实际值。

1．2　改变VFS提高分辨率
　　以12位逐次比较式或并行式A／D转换器为例。如果固定VFS＝10 V，那么，在输入量的整个变化范围0 V～10 V，其分辨率＝10 V／212＝2．4 mV。但当输入量为0 V～2．5 V时，若将VFS变为2．5 V，则分辨率＝2．5／212＝0．6 mV，使分辨率提高了4倍。该方法的原理如图2所示。

　　这样，信号如果在0 V～2．5 V之间，取VFS＝2．5V；在2．5 V～5 V之间，取VFS＝5 V；在5 V～7．5 V之间，取VFS＝7．5 V；当信号大于7．5 V，取VFS＝10 V。这样，分辨率＝2．5／212＝0．6mV，分辨率提高了4倍。参考电压由软件通过选择通道来确定。
　　对量程转换与改变VFS这两种方法进行比较发现，量程转换灵活性更强，不受A／D内部结构的限制；而改变VFS则可靠性高，硬件电路简单。具体使用哪种方法要视使用的A／D转换器而定。
2　提高采样频率
   A／D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，需要一定的时间，这就是A／D转换器的转换时间，其倒数就是每秒钟能完成采样的次数，称转换速率。如果转换时间为100μs的集成A／D转换器，其转换速率为10次／s。根据采样定理和实际需要，1个周期的波形至少需采10个点，那么，这种A／D转换器最高也只能处理1 kHz的信号，无法满足高频率信号的要求。为了解决这一问题，我们在项目中引用了一种称之为步进采样的方法，以使高频信号能逼真地得到重现。
　　步进采样的原理是：对周期性的高频信号，无法在它的1个周期内采样足够点处的数值，但是，因为周期信号每个周期的值都一样，可以在每个周期采样1个值。只要适当地选择采样间隔，就可以准确地反映原周期信号波形如图3所示。

　　如果开始时采样第1点，经过T＋Δt之后，采样第2点，再过T＋Δt之后，采样第3点……，依次类推，可以到一个周期内的若干点，信号的波形也就得到了不失真重现。
　　为了实现步进采样，首先必须测出信号的周期，然后即可进行采样间隔T＋Δt的信号采样。实践证明，这个方法可以将转换时间为10μs、只可采样10 kHz的A／D转换器的性能提高到可采样500 kHz的周期信号，具有很好的应用前景。

　

参考文献

1　秦石乔，等编著．微机接口技术及应用．长沙：国防科技大学出版社，2000
2　陈惟斌，张军编著．VisualBasic 6．0开发指南．北京：清华大学出版社，2001
3　汤向恒．单片机与嵌入式系统应用．A／D应用技巧，2002（3）：78