双积分式(A/D)转换器电路结构及工作原理

1．转换方式

V-T型间接转换ADC。

2.  电路结构

图1是这种转换器的原理电路，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）和计数器（ff₀～ff_n）等几部分组成

图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Q_n控制。当Q_n为不同电平时，极性相反的输入电压v_I和参考电压 V_REF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v_C为低电平；当v₀＜0时，v_C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～FF_n-1串联组成。触发器FF₀～FF_n-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～FF_n-1均回到0态，而FF_n翻转到1态，Q_n=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T_c，作为测量时间间隔的标准时间。当v_C=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

基本原理：　

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。（先对输入模拟电压进行固定时间的积分，然后转为对标准电压的反相积分，直至积分输入返回初始值，这两个积分时间的长短正比于二者的大小，进而可以得出对应模拟电压的数字量。这种A/D转换器的转换速度较慢，但精度较高。由双积分式发展为四重积分、五重积分等多种方式，在保证转换精度的前提下提高了转换速度。）

    下面以输入正极性的直流电压v_I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v_I加到积分器的输入端。积分器从0V开始对v_I积分，其波形如图2斜线O-V_P段所示。 根据积分器的原理可得
（其中τ＝RC）

　　由于v_O<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～FF_n-1 都翻转到0态，而Q_n=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=2ⁿT_c 令V_I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V_{p ：}

图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v_I相反极性的基准电压-V_REF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v_C=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=λT_c

可见，T₂与V₁成正比，T₂就是双积分A/D转换过程中的中间变量。　　
    上式表明，在计数器中所得的数λ(λ=Q_n-1···Q₁Q₀),与在取样时间T₁内输入电压的平均值V_I成正比的。只要V_I<V_REF，转换器就能正常地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V_REF=2ⁿV，则λ=V_I，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。 
    由于双积分A/D转换器在取样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。既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。
    最后必须指出，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。