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=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，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

    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。

    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t1+t2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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