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什么是雙積分式ADC（模數(shù)轉換器）
摘要： 雙積分式A/D轉換器電路結構和特點,。
Abstract：
Key words :

1．轉換方式
     V-T型間接轉換ADC,。

    2. 電路結構
    圖11.11.1是這種轉換器的原理電路,，它由積分器(由集成運放A組成),、過零比較器(C),、時鐘脈沖控制門（G）和計數(shù)器（FF0～FFn）等幾部分組成,。

圖11.11.1 雙積分A/D轉換器

    (1)積分器
     積分器是轉換器的核心部分,，它的輸入端所接開關S1由定時信號Qn控制,。當Qn為不同電平時,，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，進行兩次方向相反的積分,，積分時間常數(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過零的時刻。當v0≥0時,，比較器輸出vC為低電平,；當v0<0時，vC為高電平,。比較器的輸出信號接至時鐘控制門(G)作為關門和開門信號,。

    (3)計數(shù)器和定時器
    它由n+1個接成計數(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級計數(shù)器,，對輸入時鐘脈沖CP計數(shù),，以便把與輸入電壓平均值成正比的時間間隔轉變成數(shù)字信號輸出。當計數(shù)到2n個時鐘脈沖時,，F(xiàn)F0～FFn-1均回到0態(tài),，而FFn翻轉到1態(tài)，Qn=1后開關 S1從位置A轉接到B,。

    (4)時鐘脈沖控制門
    時鐘脈沖源標準周期Tc,，作為測量時間間隔的標準時間。當vC=1時,，門打開,，時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行兩次積分,，將輸入電壓平均值變成與之成正比的時間間隔,，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應的數(shù)字量輸出,。由于該轉換電路是對輸入電壓的平均值進行變換,，所以它具有很強的抗工頻干擾能力，在數(shù)字測量中得到廣泛應用,。
    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換為數(shù)字量的基本原理。電路工作過程分為以下幾個階段進行,，圖中 各處的工作波形如圖11.11.2所示,。

    (1) 準備階段
　　首先控制電路提供CR信號使計數(shù)器清零，同時使開關S2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
    在轉換過程開始時（t=0）,，開關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τ＝RC）

　　由于vO<0，過零比較器輸出為高電平,，時鐘控制門G被打開,。于是，計數(shù)器在CP作用下從0開始計數(shù),。經(jīng)2n個時鐘脈沖后,，觸發(fā)器FF0～FFn-1 都翻轉到0態(tài)，而Qn=1,，開關S1由A點轉接到B點,，第一次積分結束，第一次積分時間為t=T1=2nTc 令VI為輸入電壓在T1時間間隔內的平均值,， 則由式 可得第一次積分結束時積分器的輸出電壓為Vp
    

 圖11.11.2雙積分A/D轉換器各處工作波形

 

    (3) 第二積分階段
    當t=t1時,，S1轉接到B點，具有與vI相反極性的基準電壓-VREF加到積分器的輸入端,；積分器開始向相反方向進行第二次積分,；當t=t2時，積分器輸出電壓v0≥0,，比較器輸出vC=0,，時鐘脈沖控制門G被關閉，計數(shù)停止。在此階段結束時v0的表達式可寫為
    
    設T2=t2-t1,，于是有 設在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為λ,，則 T2=λTc
    
    可見，T2與V1成正比,，T2就是雙計分A/D轉換過程中的中間變量,。　　
    上式表明,，在計數(shù)器中所得的數(shù)λ(λ=Qn-1···Q1Q0),與在取樣時間T1內輸入電壓的平均值VI成正比的,。只要VI<VREF，轉換器就能正常地將輸入模擬電壓轉換為數(shù)字量,，并能從計數(shù)器讀取轉換的結果,。如果取VREF=2nV，則λ=VI,，計數(shù)器所計的數(shù)在數(shù)值上就等于被測電壓,。
    由于雙積分A/D轉換器在時間內采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強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周期內平均值為零的干擾）,，從理論上來說，有無窮大的抑制能力,。即使當工頻干擾幅度大于被測直流信號,，使得輸入信號正負變化時，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)的變化對轉換精度的影響均可忽略,。
    最后必須指出，在第二積分階段結束后,，控制電路又使開關S2閉合,，電容C放電，積分器回零,。電路再次進入準備階段,，等待下一次轉換開始,。
　　
    4.特點
    (1)計數(shù)脈沖個數(shù)λ與RC無關，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T1＋T2時間內穩(wěn)定即可。
    (3)轉換精度高,。
    (4)轉換速度慢,，不適于高速應用場合。
    單片集成雙積分式A/D轉換器有ADC-EK8B(8位,，二進制碼)、ADC-EK10B(10位,，二進制碼),、MC14433(7/2位，BCD碼)等,。

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