ADC 雙積分式
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(guò)零比較器(C)、時(shí)鐘脈沖控制門(mén)(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(kāi)關(guān)S1由定時(shí)信號Qn控制。當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v0≥0時(shí)，比較器輸出vC為低電平;當v0<0時(shí)，vC為高電平。比較器的輸出信號接至時(shí)鐘控制門(mén)(G)作為關(guān)門(mén)和開(kāi)門(mén)信號。
(3)計數器和定時(shí)器
它由n+1個(gè)接成計數器的觸發(fā)器FF0～FFn-1串聯(lián)組成。觸發(fā)器FF0～FFn-1組成n級計數器，對輸入時(shí)鐘脈沖CP計數，以便把與輸入電壓平均值成正比的時(shí)間間隔轉變成數字信號輸出。當計數到2n個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，FF0～FFn-1均回到0態(tài)，而FFn翻轉到1態(tài)，Qn=1后開(kāi)關(guān) S1從位置A轉接到B。
(4)時(shí)鐘脈沖控制門(mén)
時(shí)鐘脈沖源標準周期Tc，作為測量時(shí)間間隔的標準時(shí)間。當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)鐘脈沖和計數器測出此時(shí)間間隔，進(jìn)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(jìn)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(shuō)明電路將模擬電壓轉換為數字量的基本原理。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) 準備階段
首先控制電路提供CR信號使計數器清零，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vI積分，其波形如圖11.11.2斜線(xiàn)O-VP段所示。 根據積分器的原理可得
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，計數器在CP作用下從0開(kāi)始計數。經(jīng)2n個(gè)時(shí)鐘脈沖后，觸發(fā)器FF0～FFn-1 都翻轉到0態(tài)，而Qn=1，開(kāi)關(guān)S1由A點(diǎn)轉接到B點(diǎn)，第一次積分結束，第一次積分時(shí)間為t=T1=2nTc 令VI為輸入電壓在T1時(shí)間間隔內的平均值， 則由式
可得第一次積分結束時(shí)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(shí)，S1轉接到B點(diǎn)，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(kāi)始向相反方向進(jìn)行第二次積分;當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，計數停止。在此階段結束時(shí)v0的表達式可寫(xiě)為
設T2=t2-t1，于是有
設在此期間計數器所累計的時(shí)鐘脈沖個(gè)數為λ，則 T2=λTc
可見(jiàn)，T2與V1成正比，T2就是雙計分A/D轉換過(guò)程中的中間變量。
上式表明，在計數器中所得的數λ(λ=Qn-1···Q1Q0),與在取樣時(shí)間T1內輸入電壓的平均值VI成正比的。只要VI
由于雙積分A/D轉換器在時(shí)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(chēng)干擾(所謂對稱(chēng)干擾是指整個(gè)周期內平均值為零的干擾)，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(shí)，仍有良好的抑制能力。由于在工業(yè)系統中經(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，如20ms或40ms等。另一方面，由于在轉換過(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(kāi)關(guān)S2閉合，電容C放電，積分器回零。電路再次進(jìn)入準備階段，等待下一次轉換開(kāi)始。
4.特點(diǎn)
(1)計數脈沖個(gè)數λ與RC無(wú)關(guān)，可以減小由RC積分非線(xiàn)性帶來(lái)的誤差。
(2)對脈沖源CP要求不變，只要在T1+T2時(shí)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(chǎng)合。
單片集成雙積分式A/D轉換器有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。
更多資訊請關(guān)注：21ic模擬頻道
聯(lián)系客服
