DIY高精度ADC

xu__changhua · 发表于 2012-10-17 15:26

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最近研制的4.5位转5.5位ADC，是应用了标准ADC芯片或MCU内部ADC模块，基本完成了，只是因没有高一级仪表来校准而终止。
今心血来潮，想通过一般的元器件包括运算放大器和微处理器，不用标准ADC芯片，也不用MCU片内ADC模块，制作一个高精度AD转换器。
纯属个人DIY，如有任何进展，均在此帖中分享。敬请期待。

jishuaihu

支持一下。据说电子称里面很多用的ADC都是运放自己搭的，期待中……

dontium

楼主强！
关注+支持！！

upc_arm

mark

xu__changhua · 2012-10-11 12:41 上传

我想目前就我个人能力而言只能搞积分型的自制AD转换器。
积分型AD转换器典型的成品是MC14433，ICL7135，以及驱动液晶的7107等，精度再高些的7190等，参照他们的原理，先上一些基本知识。
积分电路
1）无源RC积分电路

该电路的输出波形随输入方波的跳变其正程积分和逆程积分的上升和下降幅度变化与时间轴不成直线关系，不利于制作高精度的AD转换器。
2）有源RC积分电路

有源积分器的输出和输入波形关系呈直线关系，仅仅输出相位相反。当适当选择电容器的电阻器以及运算放大器（甚至供电电源），可以使线性度误差接近于0.01%（比较困难）。
据此，有源积分器为高精度AD转换器的DIY奠定了基础。

[ 本帖最后由 xu__changhua 于 2012-10-11 13:46 编辑 ]

xu__changhua · 2012-10-11 13:22 上传

双积分AD转换器的转换原理描述
双积分是指电阻对电容的充电过程的积分（也叫正程积分，总之是指电容器上的电荷量增加）和电阻对电容的放电过程的积分（也叫逆程积分，总之是指电容器上的电荷量减少）的两个积分过程。
其AD转换的基本原理是：
正程积分采用固定电压Uref让电阻对电容从0V起开始充电，并固定充电时间Tref，则每次正程积分后电容器上的电压是固定的；
逆程积分采用与固定电压Uref反极性的被测电压Uin让电阻对电容放电，直到放电到0V为止，统计这段放电时间Tin，根据电荷平衡原理，Uref*Tref（绝对值）==Uin*Tin（绝对值），则Ti与被测电压的绝对值大小关联。
我们只要统计这段放电时间，就可以计算出被测电压的大小。

xu__changhua · 2012-10-11 13:35 上传

另一个被测电压Uin对应的放电时间Tin图像，如图示。

当被测电压与参考电压大小相等时（相位相反），则逆程时间与正程时间相等。

xu__changhua · 发表于2012-10-11 13:45

上面描述的是固定电压固定时间正程积分，被测电压逆程积分并检测积分到0，统计逆程积分时间的。

实际上，成品双积分AD转换器采用的是被测信号与固定时间来进行正程积分，而用反极性参考电压做逆程积分并检测积分到0V时刻，来统计时间，电荷平衡原理同样适用。

前者满足正程积分时时间固定斜率固定；逆程积分时时间可变斜率可变。
后者满足正程积分时时间固定斜率可变；逆程积分时时间可变斜率固定。

dontium · 发表于2012-10-11 17:19

楼主搞这个，从原理入手，既学到了理论，又丰富了经验

xu__changhua · 发表于2012-10-11 17:53

原帖由 dontium 于 2012-10-11 17:19 发表
楼主搞这个，从原理入手，既学到了理论，又丰富了经验

是滴。反正也不花钱，手头电阻电容运放还是有一些。

xu__changhua · 发表于2012-10-12 01:51

原帖由 xu__changhua 于 2012-10-11 13:45 发表
上面描述的是固定电压固定时间正程积分，被测电压逆程积分并检测积分到0，统计逆程积分时间的。

实际上，成品双积分AD转换器采用的是被测信号与固定时间来进行正程积分，而用反极性参考电压做逆程积分并检测积分到 ...

成品ADC使用后者，后者的正程积分固定时间不固定斜率，逆程积分固定斜率不固定时间，被使用的原因是被测电压与所测得的逆程积分时间成正比例关系，Uin=Tin*（Uref/Tref），方便于提取被测电压；
而前者呢？
前者的正程积分固定时间固定斜率，逆程积分不固定时间不固定斜率，被测电压与所测得的逆程积分时间成反比例关系，
Uin=（Uref*Tref）/Tin；不方便于提取被测电压。

但前者有利于电荷平衡原理描述；
后者不利于电荷平衡原理描述。

xu__changhua · 2012-10-12 22:12 上传

双积分ADC转换速度有限，据14433和7135描述，均在每秒转换3~10次，事实上，要想获得更高的转换分辨率，其转换速度还要低。

因此，派生出了所谓的”三“斜率积分，可以有效地提高其转换速率，原理上，如可以提高上百倍的转换速度，但是控制方法要复杂些。三斜率积分与双斜率积分的主要区别在于采用了多一个参考电压做放电用的逆程积分斜率，即逆程积分分为两段斜率的直线。其工作原理见图示，描述如下：

见附件电路图和波形图

提高转换速度的原理可通过如下三步转换过程来描述。

1 用被测正电压对电容器充电，在保证分辨率的前提下，采用较小的积分电阻和积分电容，目的是使得正程积分时间缩短一些，图中Tz段；

2 使用较大的参考电压-256Uref对电容器放电，如64V，实现快速放电，当放电到一个较小的比较点电压时（如0.25V）立即切换到下一步放电，这是Tn1段，这一段是缩短AD时间的最主要因素；

3 使用较小的第二参考电压-Uref如-0.25V继续对电容器放电，是64V的1/256，这样取值有利于8位二进制计数器统计计时时间。

Tn1段放电时间采用的是高电压，所以会大大缩短逆程时间，而分辨率并不会降低，分辨率由Tn2段小电压放电来保证。

编程时要注意，如果被测电压很小，并没有充电到使得电容器上的电压达到切换放电的电压，则要跳过Tn1段，直接进入Tn2段。

xu__changhua · 2012-10-17 15:02 上传

四斜率积分

由于双、三积分电路试图在正程积分末期与逆程积分初期的交界点处形成波型拐角，按照电容器的基础理论说，两端电压不能突变，所以对应的拐角产生畸变是不可避免的，显然，影响了测量精确度。

四斜积分是在三或二积分的基础上，增加一段正程积分的斜率段，以三积分为例，增加一段斜率的线段如图示。

原理：正程开始时，用被测电压，当快要到达正程积分时间前，切换到与逆程积分大电压反极性的电压上继续积分，直到正程结束，形成过冲，这个时间是已知的。随后进入逆程积分，逆程积分电压与正程过冲积分电压大小相等极性相反，所以，这一段的逆程时间实际应用时要减去正程过冲时间，其余同三积分。

正程过冲积分用于回避转折点的不确定因素。

[ 本帖最后由 xu__changhua 于 2012-10-17 15:12 编辑 ]

dontium · 发表于2012-10-17 15:26

楼主对积分型ADC研究得很透。

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