[转]双积分式模数转换器工作原理及特点

1.前言

本文主要介绍双积分式AD转换器的工作原理及特点

2.转换方式

    V-T型间接转换ADC。

3. 电路结构

 

图 双积分AD转换器

上图是这种转换器的原理电路，它由积分器(由集成运放A组成)、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门(G)和计数器(FF0～FFn)等几部分组成。

•  积分器（A）

    积分器是转换器的核心部分，它的输入端所接开关S1由定时信号Qn控制。当Qn为不同电平时，极性相反的输入电压 vI 和参考电压  VREF 将分别加到积分器的输入端，进行两次方向相反的积分，积分时间常数τ=RC。

•  过零比较器(C)

    过零比较器用来确定积分器的输出电压v0过零的时刻。当  v0  ≥  0  时，比较器输出 vC 为低电平; 当  v0  <   0   时，vC为高电平。 比较器的输出信号接至时钟控制门(G)作为关门和开门信号。

•   时钟脉冲控制门(G)

    时钟脉冲源标准周期Tc，作为测量时间间隔的标准时间。当vC=1时，门打开，时钟脉冲通过门加到触发器FF0的输入端。

•  计数器和定时器

    它由n+1个接成计数器的触发器FF0～FFn-1串联组成。触发器FF0～FFn-1组成n级计数器，对输入时钟脉冲CP计数，以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变成数字信号输出。

   当计数到2n个时钟脉冲时，FF0～FFn-1均回到0态，而FFn翻转到1态，Qn=1后开关 S1从位置A转接到B

  4.工作原理

    双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。

由于该转换电路是对输入电压的平均值进行变换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。

    下面以输入正极性的直流电压vI为例，说明电路将模拟电压转换为数字量的基本原理。电路工作过程分为以下几个阶段进行，图中 各处的工作波形如下图所示：

图双积分A/D转换器各处工作波形

•     准备阶段

    首先控制电路提供CR信号使计数器清零，同时使开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，再使S2断开

•      第一次积分阶段

    在转换过程开始时（t=0），开关S1与A端接通，正的输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0V开始对vI积分，其波形如图斜线O-VP段所示。 根据积分器的原理可得

（其中τ＝RC）

　　由于vo<0，过零比较器输出为高电平，时钟控制门G被打开。于是，计数器在CP作用下从0开始计数。

      经2n个时钟脉冲后，触发器FF0～FFn-1 都翻转到0态，而 Qn = 1，开关S1由A点转接到B点，第一次积分结束，第一次积分时间为:

t=T1=2ⁿT_c

     令VI为输入电压在T1时间间隔内的平均值， 则由式

     可得第一次积分结束时积分器的输出电压为Vp

•    第二积分阶段

    当t=t1时，S1转接到B点，具有与vI相反极性的基准电压-VREF加到积分器的输入端;积分器开始向相反方向进行第二次积分;

   当t=t2时，积分器输出电压v0≥0，比较器输出vC=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。在此阶段结束时v0的表达式可写为

     

    设 T2 = t2 - t1，于是有

     

         设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ，则 T2=λTc

     

     

    可见，T2与V1成正比，T2就是双计分A/D转换过程中的中间变量。

    上式表明，在计数器中所得的数λ(λ=Qn-1···Q1Q0),与在取样时间 T1 内输入电压的平均值VI成正比的。只要VI<VREF,转换器就能正常地将输入模拟电压转换为数字量，并能从计数器读取转换的结果。

    如果取VREF = 2ⁿ v，则λ=VI，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。

    由于双积分A/D转换器在时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。尤其对周期等于T1或几分之一的对称干扰(所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰)，从理论上来说，有无穷大的抑制能力。

    即使当工频干扰幅度大于被测直流信号，使得输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。由于在工业系统中经常碰到的是工频(50Hz)或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间T1总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。

   另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的同一积分器。因此，在两次积分期间(一般在几十到数百毫秒之间)，R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影响均可忽略。

    最后必须指出，在第二积分阶段结束后，控制电路又使开关S2闭合，电容C放电，积分器回零。电路再次进入准备阶段，等待下一次转换开始。

 5.特点

    (1)计数脉冲个数λ与RC无关，可以减小由RC积分非线性带来的误差。

    (2)对脉冲源CP要求不变，只要在T1+T2时间内稳定即可。

    (3)转换精度高。

    (4)转换速度慢，不适于高速应用场合。

    单片集成双积分式A/D转换器有ADC-EK8B(8位，二进制码)、ADC-EK10B(10位，二进制码)、MC14433(7/2位，BCD码)等。

6.参考文献

[1] http://www.go-gddq.com/html/s679/2012-07/1027500.htm