專利名稱：模擬電壓的數字化裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種模擬電壓的數字化裝置，具體講，它包括一個第一模擬/數字-轉換器-通道，用于轉換模擬輸入電壓為第一個較粗略的量化的數字值，一個數字/模擬-轉換器，把第一個數字值逆轉換成模擬電壓，它很接近輸入電壓，一個差動放大器，它求出模擬輸入電壓與逆轉換的模擬電壓兩者之差并且有時予以放大，一個第二模擬/數字-轉換器-通道，用于轉換在差動放大器輸出端的電壓差為第二個較精細的量化數字值，一個計算單元，以提高的精度由兩個數字值計算出一個總的數字值。
有許多方法可以把模擬電壓轉換成數字值。所有這些方法都有一個難題，就是隨著字長的增加，技術費用急劇增大。例如，采用并行轉換法，對于一個n-比特-轉換器，輸入信號要與n個參考電壓相比較。進行比較時所需要的比較器的數量隨字長而指數增加。但是為了使模擬電壓在轉換成數字值時出現的量化誤差減至最少，卻需要有很大字長的模/數轉換器。
眾所周知，為了減少電路費用，人們設計了兩極模/數轉換器。根據兩極法，要實現一個10-比特-轉換器，第一步先并行轉換最高位的5個比特。其結果表示模擬輸入電壓的粗略量化值。用一個數/模轉換器把取得之數字值再逆轉換為模擬電壓，并且與輸入電壓相減。然后其電壓差用第二模/數轉換器-通道轉換成精密量化數字值。為了能應用相同輸入電壓范圍的兩個模/數轉換器，在一個二級10-比特-轉換器中電壓差要放大32倍(TietzeSchenk;半導體電路技術，第九版，第23、8、2節(jié))。在已知的電路中必須對數/模轉換器的精度提出比較高的要求。但是，高精度的轉換器只有用高的技術費用才可實現，因此是相當昂貴的。
本發(fā)明的目的在于，創(chuàng)造一種模擬電壓的數字化裝置，能夠進行高精度的轉換，而且只用比較少的費用就能實現。
借助于使數字/模擬-轉換器由一個脈沖寬度發(fā)生器與連接在它后面的低通濾波器來組成，而脈沖寬度發(fā)生器提供一個與第一個數字值相應的脈沖-寬度-調制信號，來實現本發(fā)明。
根據本發(fā)明提出的裝置，此數字/模擬-轉換器由一個可調脈沖寬度發(fā)生器與一個連接在它后面的低通濾波器組成，此發(fā)生器借助經第一模/數轉換器-通道粗略量化的第一個數字值進行調整。在低通濾波器的輸出端輸出一個由數字值逆轉換成的模擬電壓，此電壓相當于粗略量化的輸入電壓。此電壓與輸入電壓之差，有時也被放大，被送入第二模/數轉換器-通道，從而產生第二個數字值，這個數字值比輸入端的量化要精細很多。由這兩個數字值可以算出一個精確的總結果。用輸出端接有低通濾波器的脈沖寬度發(fā)生器可以實現高精度的轉換。這種裝置的優(yōu)點在于實現了一種價格很便宜、結構簡單且高精度的模數轉換，這是因為可以放棄精度要求很高的常規(guī)的數/模轉換器所致。當按本發(fā)明制造的裝置用在含有微計算機的電路時，其優(yōu)點將表現得特別突出，因為在適用的微計算機中已經有了多輸入通道的模/數轉換器和脈沖寬度發(fā)生器。
為了轉換模擬輸入電壓和轉換差動放大器輸出端的差值電壓，可以分別使用兩個獨立的模/數轉換器。但是，為了盡量減少電路技術的費用，也有可以用一個前面接有一多路轉接器的模/數轉換器取代兩個獨立的轉換器。于是模擬輸入信號和差值電壓將交替加在該模/數轉換器上。
把一個作為倒相放大器連接的運算放大器用作差動放大器對整個電路是很有利的。為了平衡補償電壓，有必要安裝一個開關裝置，它能夠把倒相放大器的倒相輸入端或總輸入端置于接地電位。如果使用的是單極型模/數轉換器，為平衡補償電壓應調整脈沖寬度發(fā)生器，使低通濾波器的輸出端或運算放大器的非倒相輸入端有一小的正電壓，但是其值應大于補償電壓。于是不管補償電壓是正是負運算放大器的輸出端總有一正電壓。然后可以用第二模/數轉換器-通道從運算放大器輸出端出現的電壓求出補償電壓，進行數字化并計算出總結果。
對于差動放大器是一個作為非倒相放大器連接的運算放大器的情況，為了平衡補償電壓可以連接一個開關裝置，這個裝置能把運算放大器的非倒相輸入端或者總輸入端與一個參考電壓連接，使模/數轉換器在線性范圍工作。然后為平衡補償電壓調整脈沖寬度發(fā)生器，使低通濾波器輸出端有一很小的輸出電壓。
在選擇適當的參考電壓時，也可以進行終值平衡。人們也可以把用多個放大器元件組成的電路裝置作為倒相或者非倒相差動放大器使用。
因為技術上無法實現理想的低通濾波器，所以低通濾波器輸出端的模擬電壓帶有波紋度。因此人們可以對差動放大器輸出端的電壓作多次取樣，并由取樣值求出模/數轉換的平均值。借助求平均值可以進一步減少基于輸入信號電壓起伏引起的測量誤差。
此電壓與脈沖寬度發(fā)生器的脈沖-寬度-調制信號同步取樣是有益的。由最少兩個相互之間時間相差脈沖寬度調制信號半個周期長度的取樣值求出平均值，這個值與一個理想低通濾波器的輸出信號非常接近，此低通濾波器也可以全部或者部分的與差動放大器集成在一起并且/或者接在它的后面。
下面參照電路圖進一步闡述本發(fā)明的兩個實施實例。


圖1為模擬電壓數字化裝置的方框圖，其中運算放大器作為倒相放大器連接。
圖2為脈沖寬度調制信號和低通濾波器輸出信號的電壓曲線。
圖3為模擬電壓數字化裝置的電路圖，其中運算放大器作為非倒相放大器連接。
本模擬電壓數字化裝置有一個前面接有多路轉接器3的10-比特模擬/數字轉換器1。多路轉接器3的第一個輸入端5經電壓跟隨器7與作為多路轉接器使用的開關裝置11的輸出端9相連接。在開關裝置11的一個輸入端13接上待轉換成數字值的模擬輸入電壓Ue，而另一個輸入端15與地電位連接?？刂凭€17可使兩個信號輸入端13，15相互轉接。此外，本模擬電壓數字化裝置還有一個可調脈沖寬度發(fā)生器18，它與模/數轉換器1、多路轉接器5和計算單元6都是微計算機20的組成部分?？烧{脈沖寬度發(fā)生器18的輸出端22與電子開關元件26的信號輸入端24連接。電子開關元件26具有如下性能，當脈沖寬度調制器18的輸出端的電壓是邏輯“1”時，在它的信號輸出端28有一參考電壓是Vref，和當脈沖寬度發(fā)生器的輸出端的電壓是邏輯“0”時;信號輸出端處于地電位。電子開關元件的輸出端28經低通濾波器30與差動放大器34的輸入端之一32連接，其另一個輸入端37與電壓跟隨器7的輸出端連接。差動放大器34是由一個作為倒相放大器連接的運算放大器36與在其輸入支路中的電阻R1和反饋電阻R2組成。由電阻R1，R2決定的倒相放大器的放大倍數是32。倒相放大器的輸出端38與在微計算機20內的多路轉接器3的第二個信號輸入端40連接。此外，微計算機20還含有圖1中沒有示出的控制和計算單元，這些單元還能經導線17控制多路轉接器11。
下面將說明本裝置的功能。待轉換成數字值的模擬輸入電壓Ue在模/數轉換器2中被轉換成一個粗略量化的數字值。計算單元6把脈沖寬度發(fā)生器調到這個粗略量化的數字值，使低通濾波器30的輸出端出現一個與輸入電壓相對應的然而只是粗略量化的模擬電壓。差動放大器34給出模擬輸入電壓Ue與低通濾波器輸出端電壓之間的電壓差，差動被大器34輸出端38給出的電壓差在第二個工作節(jié)拍經模/數轉換器2重新數字化。然后，在計算單元6中，由第一個粗略量化的數字值和第二個精密量化的數字值算出精確的數字值，此值對應于模擬輸入電壓。
為了平衡補償電壓，在開關裝置11的控制導線17上加上一控制信號，使倒相放大器34的輸入端37在補償誤差范圍內達到接地電位。由微計算機中的控制單元可調脈沖寬度發(fā)生器18，使低通濾波器30的輸出端有一小的正電壓。只要正額定電壓大于補償電壓，就可以不受補償電壓的正負極性的影響，由低通濾波器30輸出端予先給定的已知額定電壓和在差動放大器34的輸出端38處出現的電壓求出補償電壓，并且在計算單元進行計算時將其考慮在內。
為了提高轉換器的精度，可以對差動放大器34輸出端的差值電壓進行多次的取樣，并且由取樣值求出平均值，從而使由電壓起伏引起的誤差大大減少。
但是，誤差也可能因低通濾波器30沒有理想的低通特性所致。在低通濾波器30的輸出端，并且從而也在差動放大器34的輸出端38實際上沒有穩(wěn)定的直流電壓，而是在直流電壓42上疊加一正弦電壓44，其頻率對應于脈沖寬度調制信號46的頻率。脈沖寬度調制信號46的曲線和差動放大器34輸出端38的電壓44的曲線都在圖2中示出。
模擬信號44的取樣與脈沖寬度調制信號46同步進行對數字化轉換是有益的。由兩個相互時間錯位相差脈沖寬度調制信號46半個周期T/2長度的取樣值48，50經計算單元6算出平均值，它與理想的直流電壓42非常接近。
圖3示出模擬電壓數字化裝置的另一實施實例。圖3的裝置與圖1裝置的區(qū)別在于使用了非倒相放大器34′。此外，在位于信號輸入端的開關裝置11的第二個輸入端15處連接一個具有正參考電壓Vref的參考電壓源52，為了平衡補償電壓，在開關裝置11的控制導線17上加一控制信號，使參考電壓Vref加到運算放大器36′的輸入端37′上，并且調整脈沖寬度發(fā)生器18，使低通濾波器30輸出端上的電壓達到很小。然后補償電壓可以由差動放大器輸出端的電壓求得。由于非倒相放大器的輸入端為高阻，所以，在這個實施實例中可以放棄信號輸入端的電壓跟隨器。
權利要求
1.模擬電壓數字化裝置，包括-一個第一模擬/數字-轉換器-通道(5，1)，用于轉換模擬輸入電壓(Ue)為第一個較粗略的量化的數字值，-一個數字/模擬-轉換器(4)，把第一個數字值逆轉換成模擬電壓，它很接近輸入電壓(Ue)，-一個差動放大器(34，34′)，它求出模擬輸入電壓(Ue)與逆轉換的模擬電壓兩者之差并且有時予以放大，-一個第二模擬/數字-轉換器-通道(40，1)，用于轉換在差動放大器(34)輸出端(38)的電壓差為第二個較精細的量化數字值，-一個計算機單元(6)，以提高的精度由兩個數字值計算出一個總的數字值，其特征在于-數字/模擬-轉換器(4)是由一個脈沖寬度發(fā)生器(18)與連接在它后面的低通濾波器(30)組成，而脈沖寬度發(fā)生器(18)提供一個與第一個數字值相應的脈沖-寬度-調制信號。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，第一和第二模擬/數字-轉換器-通道(2)是由唯一的一個模擬/數字-轉換器(1)與接在它前面的多路轉接器(3)組成的。
3.根據權利要求1或2所述裝置，其特征在于，差動放大器(34)是一個作為倒相放大器連接的運算放大器(36)。
4.根據權利要求1或2之一所述裝置，其特征在于，差動放大器(34′)是一個作為非倒相放大器連接的運算放大器(36′)。
5.根據權利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于，使用了開關裝置(11)，用此裝置輸入端(8，37′)可以設置在接地電位，以便借助用第二模擬/數字-轉換器-通道測量的信號和脈沖寬度發(fā)生器的調整來確定補償電壓誤差并且在計算單元(6)中進行均衡。
6.根據權利要求1至5之一所述的裝置，其特征在于用了一個開關裝置(11，11′)，用此裝置輸入端(8，37′)可以加上參考電壓(Vref)，以便借助用第二模擬/數字-轉換器-通道測量的信號和脈沖寬度發(fā)生器的調整來確定補償誤差和/或終值誤差，并且在計算單元(6)中進行均衡。
7.根據權利要求1至6之一所述的裝置，其特征在于，在差動放大器(34，34′)輸出端(38)處的差值電壓被多次取樣并且為模擬/數字-轉換由取樣值求出平均值。
8.根據權利要求1至7之一所述的裝置，其特征在于，差值電壓的模擬/數字-轉換與脈沖寬度發(fā)生器(18)的脈沖-寬度-調制信號同步進行。
9.根據權利要求1至8之一所述的裝置，其特征在于，低通濾波器(30)全部或部分地與差動放大器(34，34′)集成在一起。
10.根據權利要求1至9之一所述的裝置，其特征在于，脈沖寬度發(fā)生器(18)和/或多路轉接器(3)和/或模擬/數字-轉換器(1)都是微計算機(20)的組成部分。
全文摘要
本模擬電壓的數字化裝置中，第一模擬/數字—轉換器—通道把模擬輸入電壓轉換成一個粗略量化的數字值。由可調脈沖寬度發(fā)生器和連接在其后的低通濾波器組成的數字/模擬—轉換器，把已取得的數字值逆轉換成模擬電壓。此外，本裝置還有一個差動放大器。放大器的輸出電壓差經第二模擬/數字—轉換器—通道轉換成精密量化的數字值。
文檔編號H03M1/16GK1095530SQ9410428
公開日1994年11月23日 申請日期1994年4月20日 優(yōu)先權日1993年4月20日
發(fā)明者N·羅爾夫, R·羅爾夫 申請人:萊博德股份公司