什么是雙積分式ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）

ADC 雙積分式

1.轉(zhuǎn)換方式

V-T型間接轉(zhuǎn)換ADC。

2. 電路結(jié)構(gòu)

圖11.11.1是這種轉(zhuǎn)換器的原理電路，它由積分器(由集成運(yùn)放A組成)、過(guò)零比較器(C)、時(shí)鐘脈沖控制門(mén)(G)和計(jì)數(shù)器(FF0～FFn)等幾部分組成。

圖11.11.1 雙積分A/D轉(zhuǎn)換器

(1)積分器

積分器是轉(zhuǎn)換器的核心部分，它的輸入端所接開(kāi)關(guān)S1由定時(shí)信號(hào)Qn控制。當(dāng)Qn為不同電平時(shí)，極性相反的輸入電壓vI和參考電壓 VREF將分別加到積分器的輸入端，進(jìn)行兩次方向相反的積分，積分時(shí)間常數(shù)τ=RC。

(2)過(guò)零比較器

過(guò)零比較器用來(lái)確定積分器的輸出電壓v0過(guò)零的時(shí)刻。當(dāng)v0≥0時(shí)，比較器輸出vC為低電平;當(dāng)v0<0時(shí)，vC為高電平。比較器的輸出信號(hào)接至?xí)r鐘控制門(mén)(G)作為關(guān)門(mén)和開(kāi)門(mén)信號(hào)。

(3)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器

它由n+1個(gè)接成計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器FF0～FFn-1串聯(lián)組成。觸發(fā)器FF0～FFn-1組成n級(jí)計(jì)數(shù)器，對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖CP計(jì)數(shù)，以便把與輸入電壓平均值成正比的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)到2n個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，F(xiàn)F0～FFn-1均回到0態(tài)，而FFn翻轉(zhuǎn)到1態(tài)，Qn=1后開(kāi)關(guān) S1從位置A轉(zhuǎn)接到B。

(4)時(shí)鐘脈沖控制門(mén)

時(shí)鐘脈沖源標(biāo)準(zhǔn)周期Tc，作為測(cè)量時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。當(dāng)vC=1時(shí)，門(mén)打開(kāi)，時(shí)鐘脈沖通過(guò)門(mén)加到觸發(fā)器FF0的輸入端。

3.工作原理

雙積分ADC的基本原理是對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對(duì)輸入電壓的平均值進(jìn)行變換，所以它具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，在數(shù)字測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。

下面以輸入正極性的直流電壓vI為例，說(shuō)明電路將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的基本原理。電路工作過(guò)程分為以下幾個(gè)階段進(jìn)行，圖中 各處的工作波形如圖11.11.2所示。

(1) 準(zhǔn)備階段

首先控制電路提供CR信號(hào)使計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)使開(kāi)關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，再使S2斷開(kāi)。

(2) 第一次積分階段

在轉(zhuǎn)換過(guò)程開(kāi)始時(shí)(t=0)，開(kāi)關(guān)S1與A端接通，正的輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0V開(kāi)始對(duì)vI積分，其波形如圖11.11.2斜線O-VP段所示。 根據(jù)積分器的原理可得

 (其中τ=RC)

由于vO<0，過(guò)零比較器輸出為高電平，時(shí)鐘控制門(mén)G被打開(kāi)。于是，計(jì)數(shù)器在CP作用下從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。經(jīng)2n個(gè)時(shí)鐘脈沖后，觸發(fā)器FF0～FFn-1 都翻轉(zhuǎn)到0態(tài)，而Qn=1，開(kāi)關(guān)S1由A點(diǎn)轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)，第一次積分結(jié)束，第一次積分時(shí)間為t=T1=2nTc 令VI為輸入電壓在T1時(shí)間間隔內(nèi)的平均值， 則由式

可得第一次積分結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓為Vp

圖11.11.2雙積分A/D轉(zhuǎn)換器各處工作波形

(3) 第二積分階段

當(dāng)t=t1時(shí)，S1轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)，具有與vI相反極性的基準(zhǔn)電壓-VREF加到積分器的輸入端;積分器開(kāi)始向相反方向進(jìn)行第二次積分;當(dāng)t=t2時(shí)，積分器輸出電壓v0≥0，比較器輸出vC=0，時(shí)鐘脈沖控制門(mén)G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。在此階段結(jié)束時(shí)v0的表達(dá)式可寫(xiě)為

設(shè)T2=t2-t1，于是有

設(shè)在此期間計(jì)數(shù)器所累計(jì)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為λ，則 T2=λTc

可見(jiàn)，T2與V1成正比，T2就是雙計(jì)分A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中的中間變量。

上式表明，在計(jì)數(shù)器中所得的數(shù)λ(λ=Qn-1···Q1Q0),與在取樣時(shí)間T1內(nèi)輸入電壓的平均值VI成正比的。只要VI

由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。尤其對(duì)周期等于T1或幾分之一的對(duì)稱干擾(所謂對(duì)稱干擾是指整個(gè)周期內(nèi)平均值為零的干擾)，從理論上來(lái)說(shuō)，有無(wú)窮大的抑制能力。即使當(dāng)工頻干擾幅度大于被測(cè)直流信號(hào)，使得輸入信號(hào)正負(fù)變化時(shí)，仍有良好的抑制能力。由于在工業(yè)系統(tǒng)中經(jīng)常碰到的是工頻(50Hz)或工頻的倍頻干擾，故通常選定采樣時(shí)間T1總是等于工頻電源周期的倍數(shù)，如20ms或40ms等。另一方面，由于在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，前后兩次積分所采用的同一積分器。因此，在兩次積分期間(一般在幾十到數(shù)百毫秒之間)，R、C和脈沖源等元器件參數(shù)的變化對(duì)轉(zhuǎn)換精度的影響均可忽略。

最后必須指出，在第二積分階段結(jié)束后，控制電路又使開(kāi)關(guān)S2閉合，電容C放電，積分器回零。電路再次進(jìn)入準(zhǔn)備階段，等待下一次轉(zhuǎn)換開(kāi)始。

4.特點(diǎn)

(1)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)λ與RC無(wú)關(guān)，可以減小由RC積分非線性帶來(lái)的誤差。

(2)對(duì)脈沖源CP要求不變，只要在T1+T2時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定即可。

(3)轉(zhuǎn)換精度高。

(4)轉(zhuǎn)換速度慢，不適于高速應(yīng)用場(chǎng)合。

單片集成雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器有ADC-EK8B(8位，二進(jìn)制碼)、ADC-EK10B(10位，二進(jìn)制碼)、MC14433(7/2位，BCD碼)等。

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