倒双斜率ADC提升动态范围
文章作者:Stephen Woodward
通过在其头部翻转一个双斜率转换器来获得5位以上的动态范围。
至少四十年来，双斜率集成a - d转换已经成为大多数数字万用表以及许多工业和仪器应用的核心。DSADC(双斜率模数转换器)采用模拟积分器耦合比较器和控制逻辑来累积(积分)输入信号V在，对于一个固定的区间，T1 -包含第一个“斜率”-然后将积分器的输入转换为一个固定的负参考V裁判，将整体升降到零 - 第二“斜坡” - 同时测量执行所需的时间，T2。因此输入电压是：
V在= V裁判·t2 / t1 [1]
这设计理念简单地颠倒信号的顺序和参考积分的结果，我称之为a双斜率积分ADC (RDSADC)。
在这里,V裁判对固定区间T1积分。然后将积分器输入切换为-V在，测得斜坡降至零所需的时间T2。因此:
V在= V裁判·t1 / t2 [2]
鉴于类似的等式，您可能合理地问：“那么是什么？”所以这：
在式2中，转换结果为反之亦然与时间测量T2成正比，因此与1 / V成正比在，差分微积分告诉我们，反转变化率变化，而不是线性的，而是作为正方形测量值的倒数，即，
dT2 / dV在= 1 / v在2[3]
因此，收益是一个非线性转换测量，保持高分辨率的低振幅输入，而不需要自动测距的V在比例因子。RDSADC的实际实现如下所示图1。它在10比特范围内的输入为1mV至1V，同时在极端的两个位分辨率下保持10位分辨率：v处1mV分辨率在= 1V，v和1μV分辨率在= 1mV。这转化为1,000,000：1,20位动态范围，仅具有15位32K计数的T2的分辨率。换句话说，仅使用15位计数实现20位动态范围，对于相似的分辨率传统的DSADC，转换时间的转换时间的提高，实现了20位动态范围。事实上，v在可以稍微负一点，在降低分辨率的情况下一直到5V。
图1RDSADC扭转了通常的集成顺序，以获得动态范围的大幅增加。
这是它的工作原理：
RDSADC周期从V连接开始裁判S1通过R4/(R3 + R4)分压器到积分器A2(引脚3)的“+”输入，在T1区间积分，V2 = V时结束裁判，开关比较器A1输出低。
图2RDSADC时序图:
T1: 1ms (V裁判集成)
T2: 1-32毫秒(V在集成)
计数频率:1 MHz
采样频率:30- 500hz
然后S1让A2的“+”输入下降近接地(稍后详细介绍)，而S2开关A2的“-”输入近到V.在通过r1。然后以速率向下倾斜近V成正比在，定义计数区间T2。V2到达A1的低阈值时终止T2，完成ADC周期并开始一个新的周期，AD Infinitum.。
关于这些近:敏锐的读者会注意到，在T2期间，S1删除了V裁判从A1的“+”输入，R5创建了42mV阳性偏差。尽管使用单极电源，但这种偏置的目的是将A2的输出一直到T2坡度的末端。
同样在T2期间，R2产生一个有效的32 mV的偏置1以确保T2保持有限(永远不超过32 ms)，即使V在接近零。因此:
V在= T1 / T2 - 0.032 [4]
这种理想化的算法忽略了真实世界的容错，比如A1和A2的输入偏移量，V裁判但是这些缺陷可以很容易地用一个简单的两点V来计算补偿全尺度的和V.零校准。
132mv来自于2.5 V V的R1-R2分压裁判(50 mV)，为V提供1.6µA (32 mV / 20 kΩ)的偏置电流在/ 20 kΩ输入电流，减去由分压器R3-R5 (18 mV)提供的“保活”偏置。因此50 mV - 18 mV = 32 mV。
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- - - - - -w·斯蒂芬·伍德沃德是EDN最多产和最具创新的设计理念作者之一，他的贡献有数十项。