双积分式A/D转换器

双积分式A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是,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换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交换,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。

    1是双积分式A/D转换器的原理电路,它由积分器(由集成运放A组成),过零比较器(C)、时钟脉冲控制门(G)和定时/计数器( )等几部分组成。

1 双积分A/D转换器

    积分器 是转换器的核心部分,它的输入端所接开关 控制。当 为不同电平时,极性相反的输入电压 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t=RC

    过零比较器 用来确定积分器输出电压 过零的时刻。当 ³0时,比较器输出 为低电平;当 <0时, 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。

    计数器和定时器 个接成计数型的触发器 串联组成。触发器 组成n级计数器,对输入时钟脉冲CP记数,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。当记数到 个时钟脉冲时, 均回到0态,而 翻转为1态, 后开关 从位置A转接到B

    时钟脉冲控制门 时钟脉冲源标准周期 作为测量时间间隔的标准时间。当vc=1时门打,时钟脉冲通过门加到触发器FF0的输入端。

   下面以输入正极性的直流电压 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 闭合,待积分放电完毕后,再使 断开。

   2)第一次积分阶段

在转换过程开始时(t=0),开关 A端接通,正的输入电压 加到积分器的输入端。积分器从0V开始对 积分,其波形如图7.24斜线O- 段所示。根据积分器的原理可得                             

    由于 <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开始记数。经 个时钟脉冲后,触发器 都翻转到0态,而 =1,开关 A点转接到B点,第一次积分结束。第一次积分

                                                                 

为输入电压在 时间间隔内的平均值,则由 可得第一次积分结束时积分器的输出电压为             

3)第二次积分阶段

    时, 转接到B点,具有与 相反极性的基准电压 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 时,积分器输出电压 ,比较器输出

vc=0,时钟脉冲控制门G被关闭,记数停止。在此阶段结束时 的表达式可写为

                           

,于是有

                             

在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为 ,则

                                              

可见, 就是双积分A/D转换过程中的中间变量。

                                 

    上式表明,在计数器中所计得的数 ,与在取样时间 内输入电压的平均值 成正比的。只要 ,转换器就能正常的将输入模拟电压转换为数字量,并能从计数器读取转换的结果。如果取 ,计数器所计的数在数值上就等于被测电压。

2 双积分式A/D转换器各处的工作波形

     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 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 总是等于工频周期的倍数,如20ms40ms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(一般在几十至数百毫秒之间),RC和脉冲源等参数的变化对转换精度的影响均可以忽略。

     最后必须指出,在第二次积分阶段结束后,控制电路又使开关 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。

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双积分式A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是,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换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交换,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。

    1是双积分式A/D转换器的原理电路,它由积分器(由集成运放A组成),过零比较器(C)、时钟脉冲控制门(G)和定时/计数器( )等几部分组成。

1 双积分A/D转换器

    积分器 是转换器的核心部分,它的输入端所接开关 控制。当 为不同电平时,极性相反的输入电压 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t=RC

    过零比较器 用来确定积分器输出电压 过零的时刻。当 ³0时,比较器输出 为低电平;当 <0时, 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。

    计数器和定时器 个接成计数型的触发器 串联组成。触发器 组成n级计数器,对输入时钟脉冲CP记数,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。当记数到 个时钟脉冲时, 均回到0态,而 翻转为1态, 后开关 从位置A转接到B

    时钟脉冲控制门 时钟脉冲源标准周期 作为测量时间间隔的标准时间。当vc=1时门打,时钟脉冲通过门加到触发器FF0的输入端。

   下面以输入正极性的直流电压 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 闭合,待积分放电完毕后,再使 断开。

   2)第一次积分阶段

在转换过程开始时(t=0),开关 A端接通,正的输入电压 加到积分器的输入端。积分器从0V开始对 积分,其波形如图7.24斜线O- 段所示。根据积分器的原理可得                             

    由于 <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开始记数。经 个时钟脉冲后,触发器 都翻转到0态,而 =1,开关 A点转接到B点,第一次积分结束。第一次积分

                                                                 

为输入电压在 时间间隔内的平均值,则由 可得第一次积分结束时积分器的输出电压为             

3)第二次积分阶段

    时, 转接到B点,具有与 相反极性的基准电压 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 时,积分器输出电压 ,比较器输出

vc=0,时钟脉冲控制门G被关闭,记数停止。在此阶段结束时 的表达式可写为

                           

,于是有

                             

在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为 ,则

                                              

可见, 就是双积分A/D转换过程中的中间变量。

                                 

    上式表明,在计数器中所计得的数 ,与在取样时间 内输入电压的平均值 成正比的。只要 ,转换器就能正常的将输入模拟电压转换为数字量,并能从计数器读取转换的结果。如果取 ,计数器所计的数在数值上就等于被测电压。

2 双积分式A/D转换器各处的工作波形

     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 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 总是等于工频周期的倍数,如20ms40ms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(一般在几十至数百毫秒之间),RC和脉冲源等参数的变化对转换精度的影响均可以忽略。

     最后必须指出,在第二次积分阶段结束后,控制电路又使开关 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。

双积分式A/D转换器

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