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。
图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。
图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 由 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,待积分电容放电完毕后,再使
断开。
(2)第一次积分阶段
在转换过程开始时(t=0),开关 与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
由A点转接到B点,第一次积分结束。第一次积分
令 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
设 ,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。
图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(一般在几十至数百毫秒之间),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。