[发明专利]模拟电压的数字化装置

说明书

本发明涉及一种模拟电压的数字化装置，具体讲，它包括：

一个第一模拟/数字-转换器-通道，用于转换模拟输入电压为第一个较粗略的量化的数字值，

一个数字/模拟-转换器，把第一个数字值逆转换成模拟电压，它很接近输入电压，

一个差动放大器，它求出模拟输入电压与逆转换的模拟电压两者之差并且有时予以放大，

一个第二模拟/数字-转换器-通道，用于转换在差动放大器输出端的电压差为第二个较精细的量化数字值，

一个计算单元，以提高的精度由两个数字值计算出一个总的数字值。

有许多方法可以把模拟电压转换成数字值。所有这些方法都有一个难题，就是随着字长的增加，技术费用急剧增大。例如，采用并行转换法，对于一个n-比特-转换器，输入信号要与n个参考电压相比较。进行比较时所需要的比较器的数量随字长而指数增加。但是为了使模拟电压在转换成数字值时出现的量化误差减至最少，却需要有很大字长的模/数转换器。

众所周知，为了减少电路费用，人们设计了两极模/数转换器。根据两极法，要实现一个10-比特-转换器，第一步先并行转换最高位的5个比特。其结果表示模拟输入电压的粗略量化值。用一个数/模转换器把取得之数字值再逆转换为模拟电压，并且与输入电压相减。然后其电压差用第二模/数转换器-通道转换成精密量化数字值。为了能应用相同输入电压范围的两个模/数转换器，在一个二级10-比特-转换器中电压差要放大32倍（Tietze    Schenk;半导体电路技术，第九版，第23、8、2节）。在已知的电路中必须对数/模转换器的精度提出比较高的要求。但是，高精度的转换器只有用高的技术费用才可实现，因此是相当昂贵的。

本发明的目的在于，创造一种模拟电压的数字化装置，能够进行高精度的转换，而且只用比较少的费用就能实现。

借助于使数字/模拟-转换器由一个脉冲宽度发生器与连接在它后面的低通滤波器来组成，而脉冲宽度发生器提供一个与第一个数字值相应的脉冲-宽度-调制信号，来实现本发明。

根据本发明提出的装置，此数字/模拟-转换器由一个可调脉冲宽度发生器与一个连接在它后面的低通滤波器组成，此发生器借助经第一模/数转换器-通道粗略量化的第一个数字值进行调整。在低通滤波器的输出端输出一个由数字值逆转换成的模拟电压，此电压相当于粗略量化的输入电压。此电压与输入电压之差，有时也被放大，被送入第二模/数转换器-通道，从而产生第二个数字值，这个数字值比输入端的量化要精细很多。由这两个数字值可以算出一个精确的总结果。用输出端接有低通滤波器的脉冲宽度发生器可以实现高精度的转换。这种装置的优点在于实现了一种价格很便宜、结构简单且高精度的模数转换，这是因为可以放弃精度要求很高的常规的数/模转换器所致。当按本发明制造的装置用在含有微计算机的电路时，其优点将表现得特别突出，因为在适用的微计算机中已经有了多输入通道的模/数转换器和脉冲宽度发生器。

为了转换模拟输入电压和转换差动放大器输出端的差值电压，可以分别使用两个独立的模/数转换器。但是，为了尽量减少电路技术的费用，也有可以用一个前面接有一多路转接器的模/数转换器取代两个独立的转换器。于是模拟输入信号和差值电压将交替加在该模/数转换器上。

把一个作为倒相放大器连接的运算放大器用作差动放大器对整个电路是很有利的。为了平衡补偿电压，有必要安装一个开关装置，它能够把倒相放大器的倒相输入端或总输入端置于接地电位。如果使用的是单极型模/数转换器，为平衡补偿电压应调整脉冲宽度发生器，使低通滤波器的输出端或运算放大器的非倒相输入端有一小的正电压，但是其值应大于补偿电压。于是不管补偿电压是正是负运算放大器的输出端总有一正电压。然后可以用第二模/数转换器-通道从运算放大器输出端出现的电压求出补偿电压，进行数字化并计算出总结果。

对于差动放大器是一个作为非倒相放大器连接的运算放大器的情况，为了平衡补偿电压可以连接一个开关装置，这个装置能把运算放大器的非倒相输入端或者总输入端与一个参考电压连接，使模/数转换器在线性范围工作。然后为平衡补偿电压调整脉冲宽度发生器，使低通滤波器输出端有一很小的输出电压。

在选择适当的参考电压时，也可以进行终值平衡。人们也可以把用多个放大器元件组成的电路装置作为倒相或者非倒相差动放大器使用。