《電子技術(shù)應(yīng)用》
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什么是雙積分式ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)
摘要: 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),。
Abstract:
Key words :

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),、過零比較器(C)、時(shí)鐘脈沖控制門(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,,它的輸入端所接開關(guān)S1由定時(shí)信號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)過零比較器
    過零比較器用來確定積分器的輸出電壓v0過零的時(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,。比較器的輸出信號接至?xí)r鐘控制門(G)作為關(guān)門和開門信號,。

    (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級計(jì)數(shù)器,,對輸入時(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后開關(guān) S1從位置A轉(zhuǎn)接到B。

    (4)時(shí)鐘脈沖控制門
    時(shí)鐘脈沖源標(biāo)準(zhǔn)周期Tc,,作為測量時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,。當(dāng)vC=1時(shí),門打開,,時(shí)鐘脈沖通過門加到觸發(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信號使計(jì)數(shù)器清零,,同時(shí)使開關(guān)S
2閉合,待積分電容放電完畢后,,再使S2斷開,。
    (2) 第一次積分階段
    在轉(zhuǎn)換過程開始時(shí)(t=0),開關(guān)S
1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開始對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τRC

  由于vO<0,,過零比較器輸出為高電平,時(shí)鐘控制門G被打開,。于是,,計(jì)數(shù)器在CP作用下從0開始計(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=2nTcVI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,,T2V1成正比,T2就是雙計(jì)分A/D轉(zhuǎn)換過程中的中間變量,?! ?br />     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<VREF,,轉(zhuǎn)換器就能正常地將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并能從計(jì)數(shù)器讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果,。如果取VREF=2nV,,則λ=VI,計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)在數(shù)值上就等于被測電壓,。

    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。尤其對周期等于T1或幾分之一的對稱干擾(所謂對稱干擾是指整個(gè)周期內(nèi)平均值為零的干擾),,從理論上來說,,有無窮大的抑制能力。即使當(dāng)工頻干擾幅度大于被測直流信號,,使得輸入信號正負(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)換開始,。
  
    4.特點(diǎn)
    (1)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)λ與RC無關(guān),可以減小由RC積分非線性帶來的誤差,。
    (2)對脈沖源CP要求不變,,只要在T1T2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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