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楼主: shichen717

一步一步理解积分型ADC

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发表于 2013-5-2 10:30:35 | 显示全部楼层
这个要支持啊
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发表于 2013-5-2 15:02:12 | 显示全部楼层
写得很好,顶
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发表于 2013-5-2 20:47:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 longshort 于 2013-5-2 20:53 编辑
38hot_321 发表于 2013-5-1 16:40
看楼主的文章浅显易懂。但我有个地方没想明白,在此请教一下:

34401的ADC在整个的测量周期内都有Vin的注 ...

这是个很重要的地方,因为Vin在电荷平衡期(或称测量期)是全程注入,所以这一周期中的下斜速率与Vin的大小成反比,即积分器的波形随着输入电压的降低而从三角波趋向锯齿波。这样的一个变化,使ADC在电荷平衡期的输出脉冲速率不再简单地与输入电压成正比,而是呈二次曲线的变化。这个二次曲线很有意思,有时间的话可以详细讨论。

另一个重要之处是,由于上述曲线的存在,随后的比较期的满量程计数值不再是恒定的,也即计数值不能简单地拿来就用。在上述曲线的任意点上,它的切线(或称斜率)是独一无二的,也即每一点上的斜率都是不同的。斜率是计数值对Vin的比,它的倒数就是当前位置的比较期的满量程值。这一点理解起来比较费劲,有时间再详细讨论。

若设计一个这样的系统,使等效满量程电压为128V,而实际测量的最大电压为12.8V,那么运行轨迹将位于上述曲线大约十几分之一处,此时在测量期的t2长度的变化比较小,线性可以改善。测量期的曲线图如下:
截图00.jpg
Ui=12.8V时的标称计数值n是51200,而n=1时对应的电压约为237.42µV,这也是比较期的溢出进位电压。
n=51200时的斜率的倒数约为263.8µV,这是满量程时的比较期溢出进位电压。
作为一级近似,两者之间的差值约为26.38µV,取整数27,按每µV一条记录设置溢出进位电压对应的计数值来校正比较期的计数值。这是一个很小的表,用轮询的方式就可以很快完成。

如果取比较期计数最大值为测量期计数值的一半即25600,那么最差的计算分辨率为263.8µV/25600=10.3nV。

各种多斜模式都有不太一样的地方,因此具体的分析也还是有所不同的。



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发表于 2013-5-3 08:55:38 | 显示全部楼层
楼主写的文章正是我想要了解的,谢谢
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发表于 2013-5-3 17:41:36 | 显示全部楼层
非常感谢楼主这么无私的奉献,希望看到楼主更多的好文章。
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发表于 2013-5-4 10:42:58 | 显示全部楼层
longshort 发表于 2013-5-2 20:47
这是个很重要的地方,因为Vin在电荷平衡期(或称测量期)是全程注入,所以这一周期中的下斜速率与Vin的大 ...

谢谢您的回复!

您的分析我没有完全的明白,能再指教指教吗?
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发表于 2013-5-4 11:23:04 | 显示全部楼层
38hot_321 发表于 2013-5-4 10:42
谢谢您的回复!

您的分析我没有完全的明白,能再指教指教吗?

指教不敢,水平所限,自己也觉得没有说清楚。
在测量期或者说是一个NPC内,ADC的输出脉冲数大体上与输入电压成正比,但它不是直线,而是呈二次曲线的形状。
产生这种情况的原因是三角波的t1与t2的相对变化不是线性的。
在t1期,Vin的输入模拟开关打开,通过的电流为Iin;在t2期,Vin输入模拟开关仍然保持打开,但放电电流中包含了Vref的电流Iref,因此总的放电电流为Iref-Iin。
Iin与Vin成正比,因此t2期的放电电流随Vin的减小不同而加大,因为用于吸收Iin的电流的多余部分现在由积分器的放电过程吸收了,于是t2变陡。
不知道这样说明白了没?


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发表于 2013-5-4 14:15:45 | 显示全部楼层
longshort 发表于 2013-5-4 11:23
指教不敢,水平所限,自己也觉得没有说清楚。
在测量期或者说是一个NPC内,ADC的输出脉冲数大体上与输入 ...

谢谢您的回复!这样的分析我是能明白,但如果用输出脉冲速率来推算VIN的话,是不是麻烦了点,毕竟是2次曲线。我没有34401或是类似34401的ADC的产品在手,只能看看原理图瞎猜,也不知道猜得对不对。
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 楼主| 发表于 2013-5-4 15:05:32 | 显示全部楼层
38hot_321 发表于 2013-5-4 14:15
谢谢您的回复!这样的分析我是能明白,但如果用输出脉冲速率来推算VIN的话,是不是麻烦了点,毕竟是2次曲 ...

HP34401A的ADC定时间积分期内使用上斜时间tr与下斜时间td之差与之和的比例确定Vin与Vref的比例。

使用输出脉冲速率推算Vin的方法如同将定时间积分期当作电压频率转换器VFC,VFC的输出频率属于单音信号,即频率与Vin成比例对应。

但HP34401A的ADC实际上是同步VFC(SVFC),即受时钟采样的VFC。SVFC的输出频率不是单音信号,其中混杂了同步时钟信号频率成分,混杂的比例与Vin有关,受Vin调制。因此仅观察输出频率时(在示波器上根本无法形成连续稳定的波形),其与Vin并非线性关系,而是由同步时钟受Vin调制的频率成分混合至与Vin成比例频率之后的高次曲线,即线性度受Vin调制。但如果与同步时钟同步测量频率(实际上就是测量时间),这种非线性关系在理论上可以去除。

因此HP34401A的ADC并不适合通过频率计数推算Vin,而需要测量时间。虽然测量频率与测量时间本质相同,但测量时间和保持其与Vin的线性度的难度相对较低,原因在于时间测量可与同步时钟完全同步,实际上就是对同步时钟周期在tr和td中计数,而测量频率需要额外的基准频率(例如10MHz)或基准时间(例如1秒),无法做到同步。
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发表于 2013-5-4 15:06:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 longshort 于 2013-5-4 15:08 编辑
38hot_321 发表于 2013-5-4 14:15
谢谢您的回复!这样的分析我是能明白,但如果用输出脉冲速率来推算VIN的话,是不是麻烦了点,毕竟是2次曲 ...

这是因为作为V-T发生器,不是严格的正比关系,在精密测量中这个问题是一定要解决的。幸好它的变化规律是个标准的二次曲线,在一次测量循环中有足够的空余时间来进行解算,对于四字节的浮点数,51类型的单片机完全能够应付。我举的例子中使用的测量期(或称电荷平衡期)长度是80mS,等于4个NPC,比较期和其它杂项处理的时间长度为20mS,加起来有100mS,给出结果是绰绰有余的。


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