基于PWM的强抗干扰A/D转换电路

摘  要： 采用脉宽调制（PWM）电路实现一种新的A/D转换方法，将被测模拟信号经过放大、整流以及滤波处理后，与三角波调制信号进行比较，得到PWM信号，该信号的占空比与被测量信号的大小成正比。这种A/D转换电路简单、抗干扰能力强。通过实验验证，若三角波的频率为4.8 kHz、时钟周期为50 ns，则可达到12 bit的A/D转换精度。
关键词： 脉宽调制；A/D转换；强抗干扰；转换精度
       中低频信号的检测一般是将微弱信号经过放大、整流、滤波后变为直流信号，然后通过A/D转换为数字信号，最后输入处理器进行处理。
     而在工业生产、检测控制以及医疗设备等具有强干扰的场合，一些现场检测信号特别是中低频信号在传输时会受到严重的干扰。为克服这种干扰，现有的处理方法有：(1)中低频信号由A/D转换器转换后直接进行数字处理。但如有多路信号检测时，A/D转换器和计算机的速度都要求较高，难以达到；(2)中低频信号精密全波整流后，直接进行传输。但在检测小信号时，会受到较大的影响；(3)中低频信号精密全波整流后，将其进行V/F转换，变为频率信号传送。但在变为某一频率信号时，也会受到较大的干扰。本文设计的基于PWM的强抗干扰A/D转换电路不仅可以提高小信号时的抗干扰能力，还可以有效避免某些特定频率对信号的干扰。
1 A/D转换的性能
     目前电压的检测方法大多使用A/D芯片，但如果测量系统工作在强磁场等条件比较恶劣的环境中，并采用一般的A/D芯片，则其转换精度和转换时间都会受到限制。另外其参考电压会因供电电源不稳定或外界干扰产生波动，抗干扰性能较差，将影响测量结果。
     A/D转换器在将各物理量转换成数字量时，会遇到被测信号小而干扰噪声强的情况，其干扰来自设备预热、温度变化、接触电阻、引线电感、接地及前级电路或电源。进入A/D转换器的干扰，按传导方式可分为：串模干扰和共模干扰。
     几种A/D转换方式的适用范围：
     (1)并联比较型：适用于转换速度很高的场合，但其抗干扰能力较差且成本最高。
     (2)逐次逼近型：适用于对速度要求不高的系统。
     (3)双积分型：适用于对直流信号或慢变化信号的转变及对抗干扰能力要求高的场合。但其转换的速度不高，使用范围受到限制。
     (4)跟踪比较型：适用于要求信号比较平稳、较少突变、即转换速度低[1]的场合。
     A/D转换性能参数一般有转换位数和精度、转换响应时间等，通过对A/D转换芯片和使用PWM调制方法实现A/D转换的比较，可说明采用PWM的A/D转换方法具有如下优点：
     (1)A/D转换位数和精度。A/D转换器的转换精度主要包含数据采集系统的静态精度和量化误差。静态精度要考虑输入信号的原始误差传递到输出所产生的误差，它是模拟信号数字化时产生误差的主要部分。量化误差与A/D转换器位数有关，一般把8 bit以下的A/D转换器归为低分辨率A/D转换器，9~12 bit的称为中分辨率转换器，13 bit以上的称为高分辨率转换器。10 bit以下A/D芯片误差较大，而11 bit以上对减小误差并无太大贡献(11 bit A/D转换器的量化精度为0.05%)。而如果使用PWM进行A/D转换，其转换精度只与PWM信号的周期以及微处理器的时钟频率有关。另外使用PWM进行A/D转换时，比较器可以识别的小电压可以达到10 ?滋V，而输入电压大都是数伏，由此可见，比较过程中产生的误差极小[2]。
     (2)响应时间。A/D转换器的响应时间为毫秒级或者微秒级，只有流水线型A/D转换器才能做到100 ns。而如果使用PWM进行A/D转换，比较器的响应时间为ns级。
     (3)产生和传送PWM信号的电路结构简单，使用方便。由于PWM代表信号大小的是脉冲宽度而不是幅度，信号始终保持数字形式（只有高低电平两种形式），所以对加性干扰不明显，极大地提高了信号传输过程中的抗干扰能力；经过PWM调制的信号可直接送入单片机，不用经过A/D转换[3]。
     (4)A/D转换器的转换精度与其转换速率是一对基本的矛盾，而使用PWM进行A/D转换则不存在这个问题[4]。
     (5)PWM的价格优势是A/D转换器无法比拟的。
2 PWM调制原理
2.1 A/D转换输出PWM信号原理
     PWM信号是周期（T）固定、占空比变化的数字信号。系统使用三角波与经处理的输入信号进行比较，得到PWM调制信号，而后差动输出。信号既进行了调制，也通过对占空比的测量进行了A/D转换，因此不但降低了电路的复杂程度，又增强了信号的抗干扰能力。图1即为三角波与整流后的输入信号比较得到的PWM调制信号的原理示意图。
   
   2.2 PWM信号解调输出
     将得到的PWM信号输入单片机处理器中进行计数处理，PWM信号可以用单片机的计数脉冲表示，其函数表达式为：