一种提高数字化仪表测量精度的方法

　　0　引言

　　模数转换器(ADC)在数字化仪表中应用非常广泛,无论是测量仪表还是实时测控设备都不可避免地要涉及到模数转换器的技术、经济指标。A/D转 换器的分辨力是影响测量精度的一项重要指标。分辨力是指测量系统能够测到的最小输入变化量的能力。即能引起响应量发生变化的最小激励变化量。对A/D转换 器而言,分辨力为:

　　其中,n为AD转换器的位数。

　　如测量6000V电压时,当使用8位A/D转换器直接进行转换时(忽略电量变换与信号传输误差),其能够分辨的最小输入电压变化值为:

　　使用16位A/D转换器进行转换时Δu=6000/=6000/65536=0.09V=90mV对于8位A/D转换器,其量化误差为±1/2LSB=11.72V;对于16位A/D转换器,其量化误差为±1/2LSB=145mV。16位A/D转换器比8位A/D转换器的转换精度提高了倍。

　　测量精度与A/D转换器的分辨力虽是不同的概念,但A/D转换器的分辨力对测量精度的影响是不言而喻的。要提高数字化仪表的测量精度,不仅要提 高信号传感、信号传输的精度,还应提高A/D转换、数据处理的精度。工程上规定,测量系统的分辨力应根据不同要求小于允许误差的1/3、1/5或1 /10。

　　对于使用者来说除了要求测量精度高,还关心测量装置的性价比。选用高分辨力的A/D转换器固然可以提高测量精度,但其价格昂贵(ADC574或 ADC1143的价格往往为低分辨力A/D转换器ADC0809价格的十几倍甚至几十倍),这将使数字化仪表的成本显著增加,导致产品的竞争力降低。若直 接使用价格低廉的ADC0809其分辨力往往又不能满足要求。

　　文献[1]采用放大输入模拟信号电压幅度(对于输入信号电压低于A/D转换器的最大允许电压Vmax的情况),或根据输入信号电压幅度调整基准 电压的方法,提高模数转换器的分辨力,该方法是将输入信号放大并达到A/D转换器的最大允许电压值,来实现提高分辨力的目的。文献[2]对于输入电压不大 于A/D转换器的最大允许电压Vmax的工作条件下,用运算放大器组成梯形网络,各运算放大器输入不同的比较电压值,将0~Vmax的输入信号从小到大分 成n段,使各运算放大器的输入差模电压范围为Vmax/nV,将运算放大器的输出电压送入A/D转换器的不同输入端,由计算机将A/D转换器的数字输出信 号进行处理,实现分辨力的提高。这种方法根据分段数目n,使A/D转换器的分辨力提高了2n倍,但该方法对于输入信号电压小于A/D转换器的最大允许电压 Vmax的工作状况较为优越,而对于输入信号电压大于A/D转换器的最大允许电压Vmax的工作状况,其分辨力的提高并不理想。

　　本文提出了一种适用于输入信号电压大于A/D转换器最大允许电压的模拟信号分段技术方法。利用该方法可以提高使用低成本A/D转换器(ADC0809)时的系统分辨力,使分辨力由原来的提高到,同时减小了引用误差,提高了测量精度。该方法已成功应用于大型变压器电流控制器的设计中。