《電子技術應用》
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什么是雙積分式ADC(模數轉換器)
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)計數器和定時器
    它由n+1個接成計數器的觸發器FF0~FFn-1串聯組成。觸發器FF0~FFn-1組成n級計數器,對輸入時鐘脈沖CP計數,以便把與輸入電壓平均值成正比的時間間隔轉變成數字信號輸出。當計數到2n個時鐘脈沖時,FF0~FFn-1均回到0態,而FFn翻轉到1態,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器測出此時間間隔,進而得到相應的數字量輸出。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信號使計數器清零,同時使開關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
    在轉換過程開始時(t=0),開關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,時鐘控制門G被打開。于是,計數器在CP作用下從0開始計數。經2n個時鐘脈沖后,觸發器FF0~FFn-1 都翻轉到0態,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=2nTcVI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 設在此期間計數器所累計的時鐘脈沖個數為λ,則 T2=λTc
    
    可見,T2V1成正比,T2就是雙計分A/D轉換過程中的中間變量?! ?br />     上式表明,在計數器中所得的數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字量,并能從計數器讀取轉換的結果。如果取VREF=2nV,則λ=VI,計數器所計的數在數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。由于在工業系統中經常碰到的是工頻(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,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(一般在幾十到數百毫秒之間),R、C和脈沖源等元器件參數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)計數脈沖個數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T1T2時間內穩定即可。
    (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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