引 言

采用数字信号处理可方便地实现各种先进的自适应算法，完成模拟电路无法实现的功能，因此越来越多的模拟信号处理正在被数字化。目前，应用较多的模／数转换器主要有积分型、逐次逼近型和∑-△型模／数转换器。积分型A／D转换器一般采用双斜积分方式，其原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器／计数器获得数字值。优点是用简单电路就能获得高分辨率；缺点是由于转换精度依赖于积分时间，转换速率较低。∑-△型A／D转换器由积分器、比较器、1位D／A转换器和数字滤波器等组成，其原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，经数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易芯片化，因此容易做到高分辨率，但成本较高，整体芯片化较难。现有A／D转换器的原理对相关模拟器件的性能及参数要求较高，不便于集成。在需要A／D转换的应用中一般很难将高性能的A／D进行集成，需要购买相应的IP核；双斜积分型A／D等的原理因为需要负参考电压进行反向积分，一般需要双电源供电或负电压基准，这给很多应用带来不便，影响通用性，且速度较慢，一般不支持通讯和显示二者并存的功能。为了解决上述问题，采用DPWM技术进行模／数转换，一方面为缺乏A／D资源的MCU，FPGA等应用提供便利的解决方案，另一方面本方案对模拟器件的性能无特殊要求，便于集成，可用于芯片的制造，且成本较低，可适用于单电源工作，采用快速搜索算法后可使转换速率提高，同时具备通讯和显示二者并存的功能。

1 高速高精度积分型模／数转换器原理

这里采用的转换器，其基本的工作原理是通过DP-WM模块产生脉宽信号(DPWM)。该信号通过简单的RC低通滤波器进行滤波后，通过比较器与被检测信号比较、处理再经比较器发出。最后通过逻辑运算模块对上述比较器发出的信号进行拾取、分析，得到被检测信号的相关信息，并发送给通讯模块及显示模块，具体方案如图1所示。该转换器采用DPWM原理实现，其发出信号的占空比与被测量有确定的对应关系，避免了高精度模／数转换器模拟电路设计的复杂性，采用快速搜索算法后可使转换速率提高。

1．1 数字脉宽调制模块设计

该转换器的核心控制部分可由单片机、DSP，FP-GA等实现。主要完成DPWM的发生、模拟信号的测量及A／D转换结果的显示控制。该设计原型采用Cy-cloneⅡFPGA为控制芯片，其程序的整体结构如图2所示。

具体工作过程：通过锁相环得到高速时钟，用于产生高分辨率的DPWM信号；利用按一定规律调整占空比的DPWM信号实现外部电容电压的控制，与输入模拟量信号比较，直到比较器翻转，此时的Duty×Vref即为A／D转换结果。在系统中，输入50 MHz时钟，通过锁相环倍频到400 MHz，A／D转换精度达到165μV，具体设计如图3所示，其信号功能如表1所示。

1．2 DPWM发生器设计
    DPWM发生模块通过实时更新的占空比设定值，发出高分辨率的DPWM信号。在该系统中，DPWM信号的频率为20 kHz，DPWM精度为20 000个时钟周期／占空比。如图4所示，其信号功能如表2所示。