中低頻信號的檢測一般是將微弱信號經(jīng)過放大、整流、濾波后變?yōu)橹绷餍盘?，然后通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后輸入處理器進(jìn)行處理。

    而在工業(yè)生產(chǎn)、檢測控制以及醫(yī)療設(shè)備等具有強(qiáng)干擾的場合，一些現(xiàn)場檢測信號特別是中低頻信號在傳輸時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重的干擾。為克服這種干擾，現(xiàn)有的處理方法有：(1)中低頻信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后直接進(jìn)行數(shù)字處理。但如有多路信號檢測時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)的速度都要求較高，難以達(dá)到；(2)中低頻信號精密全波整流后，直接進(jìn)行傳輸。但在檢測小信號時(shí)，會(huì)受到較大的影響；(3)中低頻信號精密全波整流后，將其進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換，變?yōu)轭l率信號傳送。但在變?yōu)槟骋活l率信號時(shí)，也會(huì)受到較大的干擾。本文設(shè)計(jì)的基于PWM的強(qiáng)抗干擾A/D轉(zhuǎn)換電路不僅可以提高小信號時(shí)的抗干擾能力，還可以有效避免某些特定頻率對信號的干擾。
1 A/D轉(zhuǎn)換的性能
    目前電壓的檢測方法大多使用A/D芯片，但如果測量系統(tǒng)工作在強(qiáng)磁場等條件比較惡劣的環(huán)境中，并采用一般的A/D芯片，則其轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間都會(huì)受到限制。另外其參考電壓會(huì)因供電電源不穩(wěn)定或外界干擾產(chǎn)生波動(dòng)，抗干擾性能較差，將影響測量結(jié)果。
    A/D轉(zhuǎn)換器在將各物理量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量時(shí)，會(huì)遇到被測信號小而干擾噪聲強(qiáng)的情況，其干擾來自設(shè)備預(yù)熱、溫度變化、接觸電阻、引線電感、接地及前級電路或電源。進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的干擾，按傳導(dǎo)方式可分為：串模干擾和共模干擾。
    幾種A/D轉(zhuǎn)換方式的適用范圍：
    (1)并聯(lián)比較型：適用于轉(zhuǎn)換速度很高的場合，但其抗干擾能力較差且成本最高。
    (2)逐次逼近型：適用于對速度要求不高的系統(tǒng)。
    (3)雙積分型：適用于對直流信號或慢變化信號的轉(zhuǎn)變及對抗干擾能力要求高的場合。但其轉(zhuǎn)換的速度不高，使用范圍受到限制。
    (4)跟蹤比較型：適用于要求信號比較平穩(wěn)、較少突變、即轉(zhuǎn)換速度低[1]的場合。
    A/D轉(zhuǎn)換性能參數(shù)一般有轉(zhuǎn)換位數(shù)和精度、轉(zhuǎn)換響應(yīng)時(shí)間等，通過對A/D轉(zhuǎn)換芯片和使用PWM調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的比較，可說明采用PWM的A/D轉(zhuǎn)換方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)和精度。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度主要包含數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靜態(tài)精度和量化誤差。靜態(tài)精度要考慮輸入信號的原始誤差傳遞到輸出所產(chǎn)生的誤差，它是模擬信號數(shù)字化時(shí)產(chǎn)生誤差的主要部分。量化誤差與A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)有關(guān)，一般把8 bit以下的A/D轉(zhuǎn)換器歸為低分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，9~12 bit的稱為中分辨率轉(zhuǎn)換器，13 bit以上的稱為高分辨率轉(zhuǎn)換器。10 bit以下A/D芯片誤差較大，而11 bit以上對減小誤差并無太大貢獻(xiàn)(11 bit A/D轉(zhuǎn)換器的量化精度為0.05%)。而如果使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換精度只與PWM信號的周期以及微處理器的時(shí)鐘頻率有關(guān)。另外使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，比較器可以識(shí)別的小電壓可以達(dá)到10 ?滋V，而輸入電壓大都是數(shù)伏，由此可見，比較過程中產(chǎn)生的誤差極小[2]。
    (2)響應(yīng)時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級或者微秒級，只有流水線型A/D轉(zhuǎn)換器才能做到100 ns。而如果使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，比較器的響應(yīng)時(shí)間為ns級。
    (3)產(chǎn)生和傳送PWM信號的電路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。由于PWM代表信號大小的是脈沖寬度而不是幅度，信號始終保持?jǐn)?shù)字形式（只有高低電平兩種形式），所以對加性干擾不明顯，極大地提高了信號傳輸過程中的抗干擾能力；經(jīng)過PWM調(diào)制的信號可直接送入單片機(jī)，不用經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換[3]。
    (4)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與其轉(zhuǎn)換速率是一對基本的矛盾，而使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換則不存在這個(gè)問題[4]。
    (5)PWM的價(jià)格優(yōu)勢是A/D轉(zhuǎn)換器無法比擬的。
2 PWM調(diào)制原理
2.1 A/D轉(zhuǎn)換輸出PWM信號原理
    PWM信號是周期（T）固定、占空比變化的數(shù)字信號。系統(tǒng)使用三角波與經(jīng)處理的輸入信號進(jìn)行比較，得到PWM調(diào)制信號，而后差動(dòng)輸出。信號既進(jìn)行了調(diào)制，也通過對占空比的測量進(jìn)行了A/D轉(zhuǎn)換，因此不但降低了電路的復(fù)雜程度，又增強(qiáng)了信號的抗干擾能力。圖1即為三角波與整流后的輸入信號比較得到的PWM調(diào)制信號的原理示意圖。

2.2 PWM信號解調(diào)輸出
    將得到的PWM信號輸入單片機(jī)處理器中進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，PWM信號可以用單片機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖表示，其函數(shù)表達(dá)式為：

5.2 處理器對PWM信號計(jì)算所產(chǎn)生的誤差
    以AVR單片機(jī)為例，使用中斷方式進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，中斷轉(zhuǎn)換的時(shí)間使計(jì)數(shù)產(chǎn)生誤差。中斷轉(zhuǎn)換時(shí)間主要由三部分組成：晶振頻率、程序中斷的優(yōu)先級、單片機(jī)正在執(zhí)行的指令。對于外部響應(yīng)中斷，其響應(yīng)的優(yōu)先級最高，所以外部中斷響應(yīng)的時(shí)間最大為2個(gè)機(jī)器周期，這個(gè)誤差只在對PWM信號處理的初始階段可能發(fā)生，在其他情況下，處理器對PWM信號計(jì)算所產(chǎn)生的誤差由處理器時(shí)鐘周期和三角波周期決定。使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度為時(shí)鐘周期和三角波周期的比值。若三角波頻率（即PWM信號頻率）為4.8 kHz，處理器時(shí)鐘周期為50 ns，轉(zhuǎn)換精度為1/4 167，則使用此電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換可達(dá)到12 bit A/D轉(zhuǎn)換器的精度。如果提高三角波的周期，則A/D轉(zhuǎn)換的精度會(huì)變??；反之，精度會(huì)提高。
    使用AVR單片機(jī)和12 bit的ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換比較，其實(shí)驗(yàn)條件：數(shù)字信號發(fā)生器、數(shù)字示波器；PWM信號頻率為4.8 kHz，處理器時(shí)鐘周期為50 ns，使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換精度為1/4 167。輸入不同的模擬信號，分別使用PWM轉(zhuǎn)換電路和ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到輸出模擬信號以及相對誤差如表1所示。其中脈寬比和理論值部分都是通過理論計(jì)算得到，其相對誤差通過實(shí)際輸出和輸入信號的差值除以輸入信號得到。
    由表1可以看出，在所取的5組數(shù)據(jù)中，有三組使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的誤差比使用ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換誤差小，其他兩組則相反。這是由于輸入信號取值不同產(chǎn)生的。

    通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換可以達(dá)到使用ADC芯片的效果，而且PWM信號代表信號大小的是脈沖寬度而不是幅度，使信號始終保持在數(shù)字形式(只有高低電平兩種形式)，所以對加性干擾不明顯，大大提高了信號傳輸過程中的抗干擾能力；轉(zhuǎn)換速度快，不需要專用的A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿足很多高速傳輸?shù)膱龊?；系統(tǒng)簡單，可以靈活調(diào)節(jié)分辨率，比傳統(tǒng)的ADC功耗小，并且成本較低。使用PWM進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)獲得實(shí)用新型專利，在磁場檢測儀器等產(chǎn)品中得到應(yīng)用。此電路可以應(yīng)用于各種需要強(qiáng)抗干擾的交流和直流信號傳輸?shù)膱龊稀?br/>參考文獻(xiàn)
[1] 王秋梅，端木慶鐸，孫占龍.16位∑-△ADC模擬部分的研究與設(shè)計(jì)[D].長春：長春理工大學(xué)，2008.
[2] 岡村迪夫.OP放大電路設(shè)計(jì)[M].王玲，徐雅珍，李武平，譯.北京：科學(xué)出版社，2004.
[3] 陳平.基于PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(10-2)：269-271.
[4] 王曙光.提高ADC分辨率的電路設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2007，35(7)：201-202.
[5] 王嵐，吳海強(qiáng)，孫卓君.基于PWM濾波數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用科技，2007，34(10)：50-53.