双积分式模数转换器工作原理及特点

    图11.11.1 双积分a/d转换器

    (1)积分器

    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。

    (2)过零比较器

    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。

    (3)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)时钟脉冲控制门

    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。

    3.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 各处的工作波形如图11.11.2所示。

    (1) 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。

    (2) 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11.11.2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=2ntc 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

图11.11.2双积分a/d转换器各处工作波形

    (3) 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

    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。

    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。

    4.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。

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