高精度AD转换电路的设计C题Word格式.docx
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摘要：
该高分辨率A/D转换电路采用双积分型转换技术，经采样保持，积分与比较电路完成电压-时间转换，使用计数器，定时器控制转换过程，最终由计数器输出转换结果。
凌阳16位单片机对输出信号进行处理，存储与显示。
模拟电压输入信号由自制0~100mv连续可调电压源产生。
通过光电耦合器实现了测量显示部分与AD转换电路的电气隔离。
语音。
该A/D转换电路具有转换精度高，控制简单等特点。
关键词：
A/D转换，双积分，电气隔离，LCD显示
DesignoftheHigh-resolutionA/DConvertorCircuit
Abstract：
Thehigh-resolutionA/Dconvertorcircuitappliesthedoubleintegraltransformationtechnology,maintainingtheconvertingresultsafterthesamplingandholding,voltageintegralandcomparatoringprocess,fromthevoltage-timereversalresults;
andthenoutputsthetransformationresultbythecounter.Thesingle-chipmicrocomputercontrollerSPCE061Acancarryonprocessingtotheoutputsignal,thememoryandthedisplay.Theanaloginputsignalwillbeproducedbytheself-made0~100mvcontinualvariablevoltagesource.ThesurveydemonstrationpartandtheADconvertingcircuitelectricalisisolatedthroughthephotoelectricitycoupler.ThisA/Dconvertingcircuithasthecharacteristicsofhightransformationprecision,simplecontrolpropertisandsoon.
Keywords：
A/Dconvert,doubleintegral,electicisolation,LCDdisplay
1系统设计
1.1设计要求
设计一个具有高分辨率A/D转换器，实现对模拟电压的测量和显示。
系统组成框图如图1所示。
图1高分辨率A/D转换电路功能框图
基本要求如下：
1采用普通元器件（不允许使用任何专用A/D芯片）设计一个具有15位分辨率的A/D转换电路，转换速度不低于10次/S，线性误差小于1%；
2设计并制作一个具有测量和显示功能的仪器或装置，将该A/D转换电路的结果显示出来，有转换结束信号，显示器可采用LED或LCD；
3要求有一个A/D转换结束后的输出信号；
4自行设计一个可以从0—100mV连续调节的模拟电压信号作为该系统的被测信号源，以便对A/D转换电路的分辨率进行测试。
例如输入100mV电压时显示器显示值不低于32767。
发挥部分要求如下：
1分辨率为16位，线性误差小于0.5%；
2转换速度不低于20次/s；
3将A/D转换电路与测量显示部分实现电气隔离；
4实现其他功能。
1.2方案比较与论证
1.2.1总体方案论证
方案一：
采用逐次渐进型模数转换方案。
该方案属于反馈比较型的模数转换，通过DA转换器输出值与输入模拟信号有次序地进行比较，从而确定输出数字信号的各个位的值。
其原理框图如2所示。
启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次比较寄存器（SAR）的最高位置1，其它位置0，SAR中的内容经DA转换器转换后得到的电压值送入比较器中与输入模拟信号Ui进行比较。
比较的结果输出到SAR，并在下一次比较前对最高位进行修正。
接着，在时钟信号驱动下，SAR中次高位置1，SAR中的内容经DA转换器转换后的电压值再次送入比较器中与Ui进行比较，并在下一次比较前对次高位进行修正。
这样SAR中的各位从高到低不断置1，不断的送入DA转换器进行转换，并把转换后值不断送入比较器中与Ui进行比较，通过比较器的输出实现对该位的修正。
当完成SAR中最低位的修正后，AD转换完成，这时SAR中的值即为转换后的数字量。
图2逐次渐进型模数转换原理
逐次渐进型模数转换的精度取决于D/A转换器和SAR的位数，位数越高，精度越好，但转换所需的时间也相应递增，N位转换需要N个时钟周期。
该方案转换速度较高，转换时间约为几十微秒，最大转换位数可达18位；
同时，其功耗相当低并且功耗可随采样速率而改变。
但逐次渐进型的模数转换对比较器的要求非常高，该题目要求AD转换器达到16位的精度，从而比较器精度需达到0.01mV；
考虑到高精度比较器芯片在短时间内难以购买，并且市场有限，该方案的实现有一定难度。
方案二：
采用并行比较型模数转换方案。
该方案属于非反馈比较型的模数转换，即为一种直接的转换方式。
其将处理后的模拟电压信号予以量化，并将所得到的所有量化电平与各基准电压分量（由一个总的基准电压源经过电阻串的分压得到）进行并行比较，将比较结果再进行编码，从而给出了相应的数字信号输出。
其原理框图如3所示。
精密分压网络通过2N只精密电阻将基准电压源按等差递增的方式分压，然后使分压信号同时通过2N个比较器与输入模拟电压信号进行比较，输出比较结果再按一定的逻辑进行编码，生成N位的数字转换信号。
该方案的主要优点在于转换速度快，它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到，因此，在所有的模数转换中，它的转换速度最快。
其缺点是分辨率不高，一般都在10位以下；
同时精度较高时，功耗较大。
这主要是受到了电路实现的影响，因为一个N位的并行转换器，需要2N个比较器和分压电阻，当N=10时，比较器的数目就会超过1000个，转换的精度越高，其电路的复杂程度便成倍增加。
图3并行比较型模数转换原理
方案三：
采用双积分型模数转换方案。
这种方法属于积分型模数转换，是一种经过中间变量间接转换的转换器，通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现模数转换。
其原理框图如4所示。
开始时，计数器与定时器清零，控制逻辑控制模拟开关，将处理后的模拟信号送入积分电路进行积分，同时计数器开始计数。
当计数器计满归零时，定时器置1，控制逻辑使模拟开关合向基准电压源，使积分电路进行反向积分，同时计数器重新计数；
随着反向积分过程的进行，其输出值归零时，比较器输出一逻辑电平停止计数器计数，这时计数器的计数值便是所转换成的数字信号，可以送入寄存器或输出。
本方案性能比较稳定，精度较高，可以达到22位，同时转换电路输入端使用了积分器，由于积分电容的作用，所以能够大幅度抑止高频噪声，故抗干扰能力强，并且电路较为简单，易于实现。
但是，该方案转换速度较慢，转换精度随转换速率的增加而降低。
根据题目要求，AD转换的速度需达到20次/秒，考虑该方案，适当提高时钟信号的频率以及各级电路的响应速率便能达到要求。
图4双积分型模数转换原理
基于以上论证，选择方案三，既能保证题目要求的精度，又能保证转换的速度，同时电路设计简单，抗干扰能力强。
1.2.2系统电源模块方案论证
系统电源模块主要分为三部分，第一部分是系统电路供电稳压源，用于电路中芯片等的供电；
第二部分是精密基准电压源，用于提供AD转换中的参考电压；
第三部分是模拟可调电压源，完成题目中的系统测试功能。
1.2.2.1系统电路供电稳压源
该系统既包括数字电路部分，也包括模拟电路部分，因而在供电系统设计上须充分考虑两部分的供电要求。
采用串联反馈式稳压电路，利用输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路放大后去控制调整三极管的集电—发射极间的电压降，从而达到稳定输出电压的目的。
其电路原理图如图5。
此方案能达到一定的稳压精度，同时输出电流较高，但该稳压电路由纯模拟电路搭建而成，对单个器件的要求较为严格，而且在搭建中容易造成电路不稳定。
图5串联反馈式稳压电路
采用三端集成稳压器78XX系列作稳压器件组成稳压电路。
三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。
其内部基准电压不受输入电压波动的影响，并且内部设计了减流式保护电路和过热保护电路，能很好得保证稳压值的稳定。
稳压器应用电路如图6所示。
其正常工作时，稳压器的输入、输出电压差为2~3V，其输出端能够直接输出所需的电压值，并联电阻C1和C2用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入高频干扰，C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。
该方案电路连接简单，采用集成器件使电路稳定性增强，同时稳压精度很好，输出电流为0.1A，可以满足系统供电要求。
图6三端集成稳压器应用电路
比较以上两种方案，采用方案二作为系统电路供电。
1.2.2.2精密基准电压源
利用运算放大器构成可调直流基准电压源。
原理图如7图所示，恒流源D1为稳压管D2供电，稳压管输出电压经过运算放大器负反馈而输出一稳压值。
需要精确地选择R1和R2的值，以及低失调电压，低失调电流，低噪声，低漂移的集成运放以确保输出电压的精度和稳定性。
该方案由于电阻
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