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1 引言 在計算機測控系統對多路參量進(jìn)行在線(xiàn)監測時(shí)，常常需要精確檢測各參量在一段較短時(shí)間內的變化量。由于一般A／D轉換器分辨率有限，若直接測量被測量，再把不同時(shí)刻的測量結果相減以求得其變化量，將會(huì )造成有效位數的嚴重損失而難以保障測量精度，尤其在輸入信號遠小于滿(mǎn)量程時(shí)情況更加明顯。目前高分辨率單片集成式A／D轉換器大多為低速型的，高速的A／D轉換器價(jià)格昂貴且難以實(shí)現16位以上的分辨率。因此，這時(shí)可采用微差法以提高測量精度。文獻［1］提出了一種提高A／D轉換分辨率的方法，其思路即基于微差法的思想。本文對這一方法作了改進(jìn)，采用D／A轉換器作為可編程增益放大器，在此基礎上提出了固定相對微差的測量方法，并給出了相應的理論分析和應用實(shí)例。 2 測量原理 2．1 測量電路的組成 基于微差原理的測量電路原理框圖如圖2—1所示。由圖可知，測量電路由以下部分組成： （1）A／D轉換器 若記A／D轉換器的單位數字所表示的電壓為u，則12位A／D轉換器的量程L為212u。 （2）比較電壓發(fā)生器 比較電壓發(fā)生器由12位D／ A轉換器實(shí)現。由于它與A／D轉換器共用同一個(gè)基準電壓VR，故兩者的單位數字量表示的模擬電壓相等，均為u。比較電壓發(fā)生器可產(chǎn)生0～212 u的比較電壓VC。 （3）可編程增益放大器 可編程增益放大器可由12位D／A轉換器實(shí)現［2］。即將D／A轉換器的Rfb引腳改接輸入信號vD，而D／A轉換器的VREF引腳改接D／A轉換器輸出緩沖放大器的輸出端U0即可。電路如圖2-2所示。其絕對增益為 Dp———寫(xiě)入D／A轉換器的數據。 由式（2—1）可見(jiàn)，可編程增益放大器可實(shí)現的增益設定范圍為1～4 096。 （4）減法器 減法器由高共模抑制比的儀用放大器組成。其輸出vD為 vD＝vI－VC（2—2） 式中vI———經(jīng)多路開(kāi)關(guān)選擇的某一路被測量； VC———比較電壓發(fā)生器的輸出電壓。 2．2 測量方法與結果計算 微差法的設計思想是：不直接對被測量x進(jìn)行測量，而是取一個(gè)與其相差較小的高精度標準量N，測出它們的差值（N－x），然后再根據公式x＝N－（N－x）計算出被測量。被測量與標準量的差值越小，測量結果的精度就越高［3］�；谶@一原理，將輸入電壓vI與標準量（比較電壓VC）相比較，通過(guò)減法器得到兩者的差值，再由可編程增益放大器和A／D轉換器實(shí)現對這一差值的精確測量，就可還原出輸入信號vI的數值：式是 vD———微差量，即減法器的輸出電壓； v0———可編程增益放大器的輸出電壓； DC———寫(xiě)入比較電壓發(fā)生器的數據； D0———A／D轉換器的輸出數據； Dp———寫(xiě)入可編程增益放大器的數據； u———單位數字量表示的模擬電壓。 記vI＝Diu，則 這就是測量結果數據合成公式。若要計算Di的變化量ΔDi，只要在每次測量某一通路時(shí)，選用同一比較電壓，即DC保持不變，就可得到： ΔDi＝DtΔD0／212（2—5） 3 固定相對微差的測量方法 放大器的增益設定應滿(mǎn)足以下原則： （1）在同一輸入信號的反復測量中，應采用同一比較電壓VC和同一增益設定值Ap，這樣在計算輸入信號的變化量時(shí)，可避免引入系統誤差； （2）可編程增益放大器的增益不宜過(guò)大或過(guò)小，取值應依據微差量的變化范圍而定。 依據這一原則，取被測量vI與比較量VC的最大允許偏差為微差量vD的量程LD�？芍狶D與A／D轉換器的量程L的關(guān)系為： 下面舉例說(shuō)明放大器增益設定的方法：若單位數字量表示的模擬電壓u＝1 mV，輸入信號vI＝100mV±5％，則取比較電壓VC＝100 mV，相對微差r＝5％，得比較電壓發(fā)生器的預置數DC＝100，可編程增益放大器的預置數Dp＝rDC＝5。這時(shí)微差量vD的量程LD為5 mV。 4 測量性能的改善效果 4．1 分辨率 從式（2—4）來(lái)看，測量結果占有24位2進(jìn)制數。但這并不表明測量結果具有24位分辨率。根據式（2—4），當且僅當微差量的量程LD＝1 u時(shí)，測量結果可表示如下： Di＝DC＋D0×2－12 這時(shí)Di的整數部分為DC，小數部分為D0。DC、D0沒(méi)有重疊，才能實(shí)現24位分辨率。實(shí)際上，容易推出測量電路的分辨率k為 式中L———A／D轉換器的量程。 可見(jiàn)，測量電路的分辨率不固定，隨著(zhù)輸入信號幅值的降低而提高，有利于提高測量精度。 4．2 相對誤差 由于可編程增益放大器的作用，微差量vD的測量分辨率可達到2－12，即測量結果的絕對分辨率為2－12 LD。在不考慮其它因素影響的情況下，可認為這就是測量結果的絕對誤差。從而測量結果的相對誤差η為 由于相對微差r為預先設置的常數，所以vI的相對誤差基本固定。例：當r＝6．25％時(shí)，可使相對誤差達到2－16數量級�？梢�(jiàn)，這種方法不僅實(shí)現了分辨率的提高，而且具有小信號輸入時(shí)有效位數不損失的特點(diǎn)。而普通的測量方法其精度是按滿(mǎn)量程的相對誤差來(lái)評定的，不能實(shí)現固定相對誤差的測量。圖4—1所示為相對微差r＝6．25％時(shí)普通測量方法（圖中虛線(xiàn)）和微差測量法（圖中實(shí)線(xiàn)）的相對誤差與輸入信號vI大小的關(guān)系曲線(xiàn)。從圖4—1可知，對于大到4 095 u、小到16u的信號，均能實(shí)現16位有效數字（2進(jìn)制）的測量。如果由16位A／D轉換器取代微差法直接測量是不能實(shí)現以上效果的。 4．3 輸入信號變化量的測量精度 首先討論影響ΔvI的因素。輸入信號的零位誤差和減法器的失調電壓雖然會(huì )影響測量結果vI的精度，但不影響其變化 量ΔvI的精度。另外，只要兩次測量時(shí)采用相同的比較電壓VC，則比較電壓VC的誤差就不會(huì )影響ΔvI（這里不考慮D／A轉換器的重復性誤差）。至于傳輸通道的增益誤差由3個(gè)環(huán)節決定：第1個(gè)是減法器，由高精度儀用放大器實(shí)現；第2個(gè)是可編程增益放大器，由12位D／A轉換器DAC1230 實(shí)現；第3個(gè)為A／D轉換器。其中前2個(gè)環(huán)節的增益精度由器件制造精度保證，不需調整。整個(gè)通道的增益誤差完全由第3個(gè)環(huán)節A／D轉換器通過(guò)調節其參考電壓來(lái)補償（由于比較電壓發(fā)生器的參考電壓與A／D轉換器的參考電壓為同一基準電壓，由式（2—3）的推導過(guò)程可知，調節參考電壓不會(huì )影響式（2—3）的正確性）。以上分析表明，微差量ΔvI可獲很高的精度，且其分辨率就為A／D轉換器本身的分辨率（為12位）。這說(shuō)明這種測量方法特別適合于測量輸入信號的變化量，這時(shí)比較電壓VC誤差、輸入信號零位誤差、減法器的失調誤差均不影響ΔvI的測量精度。 5 在電池組實(shí)時(shí)監測系統中的應用 這一方法被用于變電站備用供電電源監控系統中。為了檢測電池組的特性，需要實(shí)時(shí)檢測各段電池的端電壓變化量。由于電池組串聯(lián)工作，各段電池端電壓及其變化范圍各不相同，采用通常的辦法無(wú)法精確測量。而采用微差測量方法能有效地捕捉充放電過(guò)程中各段電壓的微小變化，從而準確地評定各段電池的性能（內阻、容量等）。這里A／D轉換器采用12位逐次比較型A／D轉換器AD1674，參考電壓VR�。�4 096 mV，量程L＝4 096 mV；比較電壓輸出為VR的反相放大，即VC＝0～－4 096 mV，所以輸入vI必須為單極性負電壓輸入。由于受到隨機誤差的影響，實(shí)際測得測量誤差約為20μV，取得滿(mǎn)意效果。 |
