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电 子 测 量 技 术
ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY
第34卷 第3期
2009年3月
一种提高犃犇犆分辨率的阶梯叠加法
胡志刚 过玉清
(东华大学机械工程学院 上海 201620)
摘 要:常用的提高ADC分辨率的分段转换法存在“漏码”,甚至无法保证A/D转换的单调性,而使效果相当有限。
本文介绍一种能提高ADC分辨率的阶梯叠加法,该法令模拟输入电压犞犻与由LSB换算得来的阶梯电压VS(p)的犘
种不同数值分别叠加,所得之和依次作为ADC的输入电压犞犻,并对ADC的犘个输出数码NOp求取平均值,作为整
个数据系统的输出数码。理论上该法能实现LSB的细分,将原ADC的分辨率提高数位。通过3类实验,结果证明了
理论的正确,同时对改进ADC电路设计具有重要借鉴意义。
关键词:ADC分辨率;阶梯叠加法;转换速率
中图分类号:TN79 文献标识码:A
犛狋犪犻狉犮犪狊犲犳狌狀犮狋犻狅狀犪犱犱犻狋犻狅狀犿犲狋犺狅犱狅犳犻犿狆狉狅狏犻狀犵狋犺犲
狉犲狊狅犾狌狋犻狅狀狅犳犪狀犪犾狅犵狋狅犱犻犵犻狋犪犾犮狅狀狏犲狉狋犲狉
HuZhigang GuoYuqing
(CollegeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620)
犃犫狊狋狉犪犮狋:Thesegmentationconversioncommonlyusedtoimprovetheresolutionofanalogtodigitalconvertercancause
amissingcodeerror,evencan’tensurethemonotonicityofanalogtodigitalconverter,soitseffectofimprovingthe
resolutionislimited.Thispaperintroducesastaircasefunctionadditionmethodthatcanimprovetheresolutionof
analogtodigitalconverter,themethodlettheinputvoltageofanalogViaddrespectivelywithPkindofvaluesof
staircasefunctionvoltageVS(p)convertingfromLSB,itssumistakenastheinputvoltage犞犻ofADCinturn,and
averagethevaluesofPkindofoutputNOpofADC,andtheaveragevaluewouldbetakenastheoutputofthewhole
system.Theoretically,thestaircasefunctionadditionmethodcanfractionizeLSB,sothataddsseveralbitsofthe
resolutionbasingprimary.Thistheoryhasbeenproventoberightbythreegroupsoftest,itisverysignificantto
improvethedesigningoftheADCcircuitry.
犓犲狔狑狅狉犱狊:resolutionofanalogtodigitalconverter;staircasefunctionadditionmethod;rateofconversion
0 引 言
作为一种通用器件,8位逐次逼近式ADC因优异的性
价比而应用甚广[1]。作者在FEC-01型织物光泽仪的研
制中试用了一种“阶梯(函数)叠加”的细分方法,从而使普
通8位ADC的分辨率提高到12位以上,而且不致影响A/
D转换的单调性,也不会出现“漏码”现象。虽然现在ADC
发展较快,有的∑Δ型ADC分辨率能高达24位[23],但本
文重在介绍一种方法,可作为ADC电路优化设计的借鉴。
1 阶梯叠加法基本原理
以往,提高ADC分辨率最常用的方法是“分段转换”
(又称分级型)[4],其原理如图1所示。图中,模拟输入电压
犞犻先由分辨率为8位的ADC1进行第一段转换,得到高8
位输出数码NOH,然后由8位DAC将NOH还原为模拟电压
犞犺,由减法器求出犞犻与犞犺之差,再经放大器放大256倍后
由8位ADC2进行第2段转换,产生低8位输出数码NOL。
于是,通过8位ADC对输入电压的两段转换,理论上可以
获得16位的输出数码。实用中,ADC1与ADC2并不限于
8位,整个转换过程也并不限于两段,而且各段转换过程可
以通过电子开关的自动切换由同一ADC分次完成。分段
转换法的技术关键,在于所用的大多数部件(ADC1、DAC、
减法器和放大器)均须具有与所需分辨率相称的转换或运
算精度(否则低段数码便将失去意义),如在图1中,ADC1
与DAC的转换精度应在16位以上,这对普通的8位器件
来说显然并不现实。由于这一原因,尽管分段转换法在高
分辨率单片集成ADC的制造工艺中已然成功运用,但若
试图以此来提高普通8位ADC的分辨率,通常会因多处
出现“漏码”,甚至无法保证A/D转换的单调性,而使效果
相当有限。
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胡志刚 等:一种提高ADC分辨率的阶梯叠加法 第3期
图1 分段转换法
图2 阶梯叠加法
阶梯叠加法的原理可用图2予以说明。其中,犕 位
ADC的理想转换特性可
示为:
犖犗狆=
0 (犞犻/LSB<-1/2)
狀
(2狀-1)/2≤犞犻/LSB<(2狀+1)/2;
狀=0,1,2,…,2犕( )-2
2犕-1 (犞犻/LSB≥2犕-3/2
烅
烄
烆
烍
烌
烎)
(1)
式中:NOp、犞犻与LSB分别为ADC的输出数码、输入电压
与最低位权重。另设细分倍数为犘,则阶梯(函数)电压可
取为:
犞犛(狆)=狆·LSB/犘 (狆=0,1,2,…,犘-1) (2)
若令模拟输入电压犞犻与阶梯电压犞犛(狆)的犘种不同
数值分别叠加,所得之和依次作为ADC的输入电压犞犻,并
由数字滤波器对ADC的犘个输出数码NOp求取平均值,作
为整个数据系统的输出数码:
犖犗=∑
犘-1
狆=0
犖犗狆/犘 (3)
于是,系统的转换特性可表示为:
犖犗=
0 (犞犻/LSB<-1/2)
狀+狆/犘
(2狀-1)/2+p/犘≤犞犻/LSB<
(2狀-1)/2+(狆+1)/犘;
狀=0,1,2,…,2犕
烄
烆
烌
烎-2
2犕-1 (犞犻/LSB≥2犕-3/2
烅
烄
烆 )
(4)
对照式(1)与式(4),可知阶梯叠加法确能实现LSB的
犘倍细分。为方便计,实用中可将犘值取为2的整数次幂
2犙,如此输出数码犖犗将为(犕+犙)位二进制数,也就是将
原ADC的分辨率提高了犙位。
根据上述原理,系统的单调无漏码转换特性已由原
ADC的性能予以保证而不致出现问题,系统的转换精度同
样取决于原ADC的性能而并无相应提高。一般而言,8位
ADC的转换误差指标不会优于1/4LSB,所以至多只能达
到相当于10位的转换精度。另外还须指出,利用阶梯叠
加法来提高ADC的分辨率,是以牺牲速度性能为代价的
(在图1的两段转换法中,转换速率降低一半可使分辨率
相应提高一倍,而在图2的阶梯叠加法中,转换速率每降
低一半,只能使分辨率相应提高一位),故在实用中须对两
者权衡兼顾,以适应不同的使用要求[5]。
2 实施方法
以前述原理为依据,结合FEC-01型光泽仪测量/控制
系统的设计所进行的若干试验,最终取得了预期的效果。
同试验有关的系统硬件结构如图3所示。其中,DAC
在单片微机的控制下用作阶梯函数发生器,其输出电压犞犛
(狆)的最大摆幅为2.5V,可分为128级;图2中的阶梯电
压犞犛(狆)由电阻犚1、犚2对犞犛(狆)分压后形成,同模拟输入
电压犞犻(0~4.8V)的叠加亦由电阻分压器同时完成,但须
注意图3与图2中的犞犻相差一个接近于1的比例因子,即
电阻分压系数犚2/(犚1+犚2);ADC的模拟转换电压范围为
0~5V,时钟周期为1.5μs;ADC在整个转换过程中的各
个输出数码犖犗狆由单片微机采集后进行累加以及移位(除
法)处理,时钟频率为8MHz;转换结果犖犗 采用16进制4
位数字显示,经约1.8s后重新开始下一次转换过程。A/
D转换程序的主要
可见图4。
图3 硬件结构
图4 程序流程图
3 试验结果
按照不同的参数选择,试验内容可以分为3类,现将
部分试验数据分别列于表1。其中,有效分辨率的判定是
以连续20次转换读数的极差不超过1个LSB为准,另在
测定转换速率时已将图4中的数据显示程序删除。
如表1所示,第Ⅰ类试验是按式(2)选取不同的犘值
以考察阶梯叠加法的直接效果。从试验结果来看,当犘值
不超过4时,有效分辨率的提高程度与前述理论
结果
相符,但当犘值进一步增大时,两者的差异便将逐步加大。
第Ⅱ类试验,是将式(2)改为:
犞狊(狆)=狆·LSB/RP
(狆=0,1,2,…,犘-1,犘,犘+1,…,2犘-1,…,犚犘-1)(5)
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第34卷 电 子 测 量 技 术
即将阶梯电压的幅度扩展到犚个LSB,此时式(4)亦应稍
作修改。从理论上说,如此可以借助于平均效应来减小
ADC微分误差的影响,对于提高有效分辨率也有一些益
处。但从表1的试验结果来看,犚值取为2~4时有效分辨
率约可提高一位,继续增大犚值则效果并不明显。
以上试验结果提示,制约有效分辨率进一步提高的主
要因素,可能是ADC输入电压犞犻中混杂的某些干扰信
号,特别是阶梯电压叠加过程中引入的某些寄生成分[67]。
试验中曾在图4的转换程序中插入延时环节,用以调整转
换速率以抑制外界工频干扰,结果确实并未见效。为此,
在第Ⅲ类试验中将式(3)改为
犖犗=∑
犜
狋=1
∑
犚犘-1
狆=0
犖犗狆狋/RPT (6)
表1 部分试验数据
试验
类别
试验参数
犚1/犚2 犘 犚 犜
转换速度
(1/s)
有效分辨率
(bit)
2
4
Ⅰ 64 8 1
16
32
64
Ⅱ 16
8
1
2
4
8
16
1
2
4
8
1
1700 9
1200 10
750 10
420 10
230 11
120 11
890 10
450 10
230 11
120 11
470 10
240 11
120 11
59 11
Ⅲ 64
32
64
2
4 30 12
16 7.2 13
64 1.8 14
256 0.4 15
4 15 13
16 3.7 14
64 0.9 15
256 0.2 16
即将第Ⅱ类试验中的转换过程反复进行犜次后再用数字
方法滤取其平均值。从表1的试验结果来看,此法确有明
显效果,其代价则是转换速率的进一步降低。
在第Ⅲ类试验中,犜值取至64或更大时,按上述
判定的有效分辨率已可超过单纯由犘倍细分所能达到的
极限效果。这一现象是否系由上述阶梯电压中某些变化
较具规律的寄生成分,加上较大犜值的平均效应,从而产
生了“次级”细分作用所致,在理论上固然尚可再作探究,
但因此时的分辨率已与转换精度相差过于悬殊,故在实用
中并无多大意义[8]。
4 实用程序
FEC-01型光泽仪中,根据试验结果确定的A/D转
换程序如表2所示。其中,犚2/犚1仍为64,阶梯电压幅度
为2.5V且分为128级,所以犘值为64而犚值为2,但犜
值改取为32。据实测,此时分辨率可以达到14位,转换速
率为3.0s-1,与常用的双积分型ADC如12位的7109或
41/2位的7135性能相近,虽然精度较逊但成本亦低,且可
省去所有外围元件。
关于表2另有两点需要说明。一是其中的狆值并非从
0而是从30H开始,相当于给阶梯电压犞犛(狆)加入少量正向
偏置,从而使模拟输入电压犞犻为一较小负值时仍能处于线
性转换范围,以满足仪器零位校正的需要。二是在线性转
换范围的两端分别设置上、下限(实测值分别为4.58V与
-49mV)以查验转换结果是否正常。若其超出允许限度,
控制系统便自动转入故障处理(显示打印)程序FAULT。
表2 转换程序
1.ADC:CLRA 初始化
2. MOVR5, A
3. MOVR4, A
4. MOVR3, A
5. MOVR7, #20H
6.AC1:MOVR6, #30HDAC置数
7.AC2:MOVA, R6
8. MOVDRTR #A000H
9. MOVX@DRTR,A
10. MOVDPTR, #C000HADC采样
11. MOVX@DPTR, A
12.AC3:JB P1.3, AC3
13. MOVXA, @DPTR
14. ADDA, R3 数据累加
15. MOVR3, A
16. CLRA
17. ADDCA, R4
18. MOVR4, A
19. CLRA
20. ADDCA, R5
21. MOVR5, A
22. INCR6
23. CJNER6, #B0H, AC2
24. DJNZR7, AC1转换结束?
25. CJNER5, #0FH,AC4数据查验
26.AC4:JNC AC7
27. CJNER5, #00H, AC6
28. CJNER4, #04H, AC5
29.AC5:JC AC7
30.AC6:RET
31.AC7:LJMP FAULT
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胡志刚 等:一种提高ADC分辨率的阶梯叠加法 第3期
5 结 论
综上所述,阶梯叠加法确能有效提高8位ADC的分辨
率。尽管目前的ADC器件已能达到很高的性能水平,但从降
低成本,特别从充分利用μP系统硬件资源的角度着眼,阶梯
叠加法在许多小型智能化仪器中仍有一定的实用价值。
参 考 文 献
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[5] 宋浩,田丰.单片机原理及应用[M].北京:清华大学
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题[J].山西电子技术,2006(5):4146.
作 者 简 介
胡志刚,男,1977年出生,江西九江
人,硕士研究生,主要研究方向为单片机
及嵌入式系统设计。
Email:huzhigang2000@sohu.com
过玉清,男,1949年出生,上海人,博士,副教授,硕士
生导师,主要研究方向为测试及控制技术
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒
。
(上接第14页)
术在更广范围内应用提供了一定基础,具有很好的应用前
景。仿真结果证实了该控制技术的可行性和有效性。
参 考 文 献
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[8] 王辅春,刘明山,迟海涛.从实例中学习 ORCAD
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作 者 简 介
张善纯,男,山东省临沂市人,硕士研究生,主要研究
方向为现代电力电子技术。
Email:zsc20021111@
櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒
126.com
(上接第24页)
作 者 简 介
郑渊博,男,汉族,上海交通大学电子
信息学院电路与系统专业硕士研究生,主
要研究方向为INTERNET网络拥塞控制
算法的改进及应用。
Email:zyb185@sjtu.edu.cn。
朱杰,男,汉族,上海交通大学教授。主要研究方向为
嵌入式系统、语音识别。
Email:zhujie@sjtu.edu.cn。
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