高分辨率AD转换电路的设计

黄鹤松教授点评：系统采用高精度、低温漂的电压基准AD586分压作为信号源，采用压频转换的原理，利用先进的CPLD电路EPM7128和凌阳单片机SPEC061A共同实现了高精度的18位A/D转换。系统并具有语音报音、SPI数字信号输出接口等功能。稍不足的是制作工艺一般。

高分辨率A/D转换电路的设计

山东大学

苏瑞东高摇吴昊

摘要:

本系统由高精度、低温漂的模拟器件和CPLD构建，实现高精度的18位A/D 转换。模拟输入电压为0-100mV，通过精准的放大和偏置后送给AD650进行V/F 变换，转换出来的频率信号由CPLD进行测量，结果送交控制器，产生18位A/D 转换结果。同时系统可提供0-100mV连续可调的高精度测试用基准源。为了进一步降低干扰，A/D转换和控制电路采用了光速光电耦合器进行了电气隔离。

关键词：

V/F CPLD 频率计斩波放大器

Abstract ：

This system, which is built in the base of analog devices and complicated programmable logic device (CPLD), can deliver 18bit A/D result with high precision. To achieve high precision, The devices that are used in this system should have the characteristic of very love temperature drift .The inputting 0-100mV voltage is first amplified and deflected ,and then delivered to AD650 to perform V/F . The outputting frequency is measured with high precision by CPLD, and the

Micro-controller calculate the result .To test the performance of the A/D characteristic, a high precise 0-100mV voltage souse is also available

in this system. To reduce the disturbance ,a high speed photoelectricity-coupler is used to insulate the A/D part and the control circuit.

Key word:

V/F CPLD cymometer Chopper-stabilized amplifier

目录

1.系统方案选择与论证 (4)

1.1设计要求 (4)

1.1.1基本要求 (4)

1.1.2发挥部分 (4)

1.2系统方案 (4)

1.2.1系统总体方案的论证 (4)

1.2.1系统基本方案 (5)

1.2.3各模块方案选择和论证 (6)

1.2.4系统各模块的最终方案 (9)

2. 系统的硬件设计与实现 (10)

2.1系统硬件的基本组成部分 (10)

2.2主要单元电路的设计 (10)

2.2.1精密测试基准源 (10)

2.2.2电压的放大及偏置 (11)

2.2.3 V/F转换电路的设计 (12)

2.2.4等精度频率计的设计 (16)

2.2.5光耦合隔离电路的设计 (17)

3. 系统的软件设计 (18)

3.1程序流程图 (18)

3.2等精度频率计的VHDL子程序 (19)

4. 系统测试 (20)

4.1测试仪器 (20)

4.2指标测试 (21)

4.2.1 A/D转换线性度测试 (21)

4.2.2转换结束信号测试 (21)

4.3系统实现的功能 (22)

5. 总结 (22)

参考书目 (23)

1.系统方案选择和论证

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。系统组成图1如下。

图1

1.1.1基本要求：

（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。

1.1.2发挥部分：

（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）其他。

1.2系统方案

1.2.1系统总体方案的论证

根据题目要求，设计并制作一个高精度的16位A/D转换器，常用的A／D转换器可分为3大类：

方案一：逐次比较式

其速度快，二进制输出，与CPU之间的连线多、转换位数越多、连线越多、成本也相应增加。但由于要求位数太多，连线太多影响系统的稳定性，且成本较高。

方案二：双积分式

以二进制或BCD码的形式输出，精度高，抗干扰能力强，价格便宜，但转换速度较低，但电路设计与连接比较复杂，且速度太慢。

方案三：VFC式

利用积分原理，将输入电压(或电流)转换成频率输出，脉冲频率与输入电压(或电流)成比例，其精度高、线性度好、转换速度居中、转换位数与速度可调、与CPU的连线最少，且增加转换位数时不会增加与CPU 的连线，因此，VFC为A／D 转换技术提供了一种廉价而有效的解决办法。

考虑题目要求做一个至少16位、20Hz的A/D转换器，实现对模拟电压的测量和显示。综上所述我们选择方案三。

1.2.2系统基本方案：

系统可以划分为电压发生部分、模拟-数字转化部分和控制部分。其中电压发生部分包括：精密测试电压源。模拟-数字转化部分包括：电压放大和偏置，V/F转换模块，频率测量模块。控制部分包括：控制器模块，显示模块，语音模块。模块框图如图 2所示。