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1、2019/5/19,1,8.3 双积分式A/D转换器,2019/5/19,2,逐次逼近式A/D转换器： 优点：精度高，速度快 缺点：抗干扰能力弱，需用精密元件数量多，造价高。 积分式A/D转换器： 优点：转换精度高，抑制干扰能力强，使用精密元件数量少，造价低。 缺点：速度低。,逐次逼近式A/D转换器 和 积分式A/D转换器的比较,2019/5/19,3,8.3.1 双积分式AD转换 原理与特性,典型的双积分式A/D转换电路的基本组成可以用下图表示。它的一次转换基本工作原理可以分成三个工作阶段来描述。,2019/5/19,5,双积分式AD转换原理,第一阶段T1，模拟开关S1导通，其余各模拟开关断
2、开，此阶段可称为对输入电压积分采样阶段。通常，在进入此阶段之前，积分器的输出已被复零。所以，当输入电压Vi为正时，积分器输出向负渐增；当输入Vi为负时，积分器输出向正渐增。,采样阶段,2019/5/19,7,双积分式AD转换原理,采样阶段积分器输出电压的变化速率与输入电压成正比：,采样阶段,采样阶段,2019/5/19,10,双积分式AD转换原理,采样阶段所经历的时间T1（T1 = t1一t0）是一常值。它常常以计数器对时钟脉冲fcp计数来确定。例如，计数器以0累计到N1所对应的时间 N1Tcp=N1fcp 作为T1，也就是说计数器从0计到N1所经历的时间作为对输入电压的积分阶段。,2019/
3、5/19,11,双积分式AD转换原理,T1阶段结束时刻积分器之输出电压为：,2019/5/19,12,双积分式AD转换原理,式中之 表示在T1阶段中V1之积分平均值，如果输入电压V1是常值， =Vi。将T1=N1/fcp代入上式，即可得,2019/5/19,13,双积分式AD转换原理,第二阶段T2（T2 = t2一t1），模拟开关S2或S3导通，其余开关断开。此阶段可称为对参考电压回积阶段。如果采样阶段T1中Vi0，则T2阶段S2导通，S3断开，使积分器之输出从一开始的-ViT1/RC回积到0V。反之，如果T1阶段中Vi0，则T2阶段S3导通，S2断开，使积分器之输出从一开始的+|Vi|T1/
4、RC回积到0V。,2019/5/19,14,回积阶段,2019/5/19,16,双积分式AD转换原理,VINT在T2阶段的波形如图536所示。由于T2阶段积分器对固定的参考电压积分，所以VINT之斜率不变。根据回积过程，T2阶段的时间长度决定于：,2019/5/19,17,双积分式AD转换原理,即： 整理得：,2019/5/19,18,双积分式AD转换原理,上式表明，在T1和 VR均为常数时，T2与Vi的平均值成正比，实现了 VT转换。 如果T2也用同一时钟脉冲fcp对计数器计数来测量，则在此阶段中计数器所累计的数N2=T2 fcp。,2019/5/19,19,双积分式AD转换原理,将N2=T
5、2fcp和N1=T1 fcp，一起代入式： 即可得出：,2019/5/19,20,双积分式AD转换原理,第三阶段T3，模拟开关S4和S5导通，其余断开。此阶段可称为复零与准备阶段。这是个辅助阶段，它要为本次转换作结束工作，为下次转换作好准备工作。,复零准备阶段,2019/5/19,22,双积分式AD转换参考电压,为了满足对双极性输入电压进行双积分式 A/D转换的要求，基本电路结构中设置了VR和-VR一对参考电压，并通过对相应的模拟开关的控制，实现自动极性的转换要求。通常在集成化双积分式A/D转换器中，为了简化外接电路，常常采取下列两种办法中的一种来满足以单参考电压源实现双极性输入时的自动极性转
6、换的要求。,A,B,+,+,-,-,2019/5/19,24,双积分式AD转换参考电压,办法之一是：采用电容器储存参考电压，用桥形模拟开关换接电压极性。这种方案被使用于 ICL710671077126、ICL7135等单片集成双积分式A/D转换器中。,2019/5/19,25,双积分式AD转换参考电压,另一种办法是更换积分器输入电路。它被使用MC14433型单片集成双积分式A/D转换器中。,参考电压自动极性电路,2019/5/19,27,双积分式AD转换参考电压,当输入电压Vi0时，采样阶段S2、S4导通，S1、S3、S5断开，Vi从积分器同相端输入，回积阶段S1、S5导通，积分器的输出电压波
7、形如图(b)所示。,Vi 0 时的等效电路,2019/5/19,30,参考电压自动极性电路,2019/5/19,31,双积分式AD转换原理,当输入电压Vi0时，采样阶段S3、S5导通，S1、S2、S4断开。回积阶段S1、S5导通，S2、S3、S4断开，积分器输出电压波形如图(c)所示。,Vi 0 时的等效电路,2019/5/19,34,8.3.2 双积分式AD转换的 特性与参数选择,双积分式A/D转换器的一个重要特性是组成电路中需要的精密元件数量很少。 无论是积分器电阻R和电容C，还是时钟频率fcp，都被约掉，在最终的结果中都与它们无关。只要在一次转换的短时间过程中，它们没有变化，就不会对转换
8、结果发生影响。,2019/5/19,35,双积分式AD转换的 特性与参数选择,可采用电容记忆动态校零或者寄存器记忆数字校零的补偿办法将运算放大器和电压比较器的失调、漂移影响抑制到很低的程度，从集成电路制造工艺上考虑，这种电路也易于实现CMOS单片集成化，生产出性能价格比很高的单片集成A/D转换器。,2019/5/19,36,双积分式AD转换的 特性与参数选择,双积分式A/D转换器转换速率比较低，例如23次/s，只要在不到1s的时间内，R、C以及fcp，保持不变，(这不难做到)即使使用最普遍的金属膜电阻和涤纶电容等元件，就可以实现0.010.l的转换精度。,2019/5/19,37,双积分式AD
9、转换的 特性与参数选择,双积分式A/D转换器的另一重要特性是它对对称交流干扰或者尖峰脉冲干扰具有很强的抑制能力。 如果在T1期间V1中存在着瞬时峰值很大而平均值很小的尖峰干扰，经积分低通滤波作用后，对T1阶段的积分终值影响可能很小，这样，最终产生的转换误差并不大，甚至可能微不足道。,2019/5/19,38,双积分式AD转换的 特性与参数选择,选择T1是干扰信号周期的整数倍 ，则T1末的积分终值均与此交流信号无关，而只决定于Vi中的直流成分。,2019/5/19,39,双积分式AD转换对交流 干扰的抑制作用,-VR,2019/5/19,40,双积分式AD转换对 交流干扰的抑制作用,0,t,0,
10、t,T1,T2,Vi ,VR,VINT,Vi1,Vi1,-VR,2019/5/19,41,双积分式AD转换对 交流干扰的抑制作用,在实际电路中，钟频往往用多谐振荡器或石英晶体振荡器产生，由它所产生的钟频往往不能严格地保持T1与工频周期的整数倍比值关系，这就会降低对工频交流干扰的抑制能力。如果对抑制工频干扰有更高的要求时，一般可采取以下两种技术:,2019/5/19,42,双积分式AD转换对交流干扰的抑制作用,采取过零同步触发措施。 用交流干扰信号越零瞬时产生一触发脉冲去启动双积分A/D转换,2019/5/19,43,双积分式AD转换对 交流干扰的抑制作用,采用倍频电路 由锁相倍频器产生50 H
11、z整数倍的钟频提供给双积分A/D转换器。锁相环路能自动跟踪工频交流的频率，即使工频有变化，也能精确地实现T1与工频周期成整数倍的关系。,2019/5/19,44,双积分式AD转换对 交流干扰的抑制作用,注意：实际系统对工频干扰的抑制能力总是有限的，因为干扰信号往往并非是理想的对称正弦波，只要正、负半周不对称，存在很小的直流平均分量，则干扰的影响就表现出来了。,2019/5/19,45,双积分式AD转换对 交流干扰的抑制作用,由T1宜取为交流干扰信号周期整数倍的关系，可得出双积分式A/D转换器的钟频fcp的选择方法，设f为交流干扰信号的频率，则,2019/5/19,46,双积分式AD转换对 交流
12、干扰的抑制作用,式中之m是倍数，常取值1，2，3等等整数。将T1=N1fcp，代入上式，即可得出,2019/5/19,47,双积分式AD转换的 特性与参数选择,对集成化双积分式A/D转换器来说，积分电阻RINT和积分电容CINT往往是外接元件，其数值也需要按具体的工作条件计算确定。导出计算公式的基本原则是充分利用积分放大器的线性动态范围。即在满量程输入Vimax时，使积分放大器的输出达到可利用的线性区的限值VINTmax。,2019/5/19,48,双积分式AD转换的 特性与参数选择,对应前面讨论的A/D转换电路来说，应满足下列关系：,2019/5/19,49,双积分式AD转换的 特性与参数选
13、择,在实际的双积分式A/D转换器中，由于非理想的因素存在，仍然会造成转换误差。如： 模拟开关的不理想； 积分电容器和记忆（存贮）电容器的漏电以及吸附效应，(可造成 AD转换的非线性误差。) 运算放大器的有限开环增益、有限频响以及失调漂移的影响，也会造成A/D转换误差。,2019/5/19,50,8.3.3 集成化双积分式 AD转换器,双积分式A/D转换器市场上流行的主要品种有： ICL710671077126（美Intersil公司产品）。 三位半单片CMOS集成双积分式AD转换器，其输出方式为静态七段码，可直接驱动液晶显示器或LED数码管，很适用于组成各类板式数宇仪表和袖珍式数字仪表。它能自
14、动极性转换，只要求单参考电压源，满量程输入为-200mV0200 mV。芯片内采取了自动校零措施，可保证长期零点稳定。,2019/5/19,51,集成化双积分式 AD转换器,MC14433（美Motorola公司产品）。这也是一种3字位单片CMOS集成双积分式A/D转换器。输出方式为BCD码动态扫描输出，它既可用于组成数字仪表，也可方便地与微机系统相接口，芯片内采取了模拟与数字自动校零技术，可保证长期零点稳定。它同样能自动极性转换，只要求单参考电压源。满量程可设计成-200mV0200mV或-2V02V，,2019/5/19,52,集成化双积分式 AD转换器,ICL7109（美Intersil
15、公司产品）。基本电路与性能类同于ICL7106 系列。它的输出数据改为12位二进制码加符号位和过量程标志位，且具有三态输出特性，可很方便地与微机系统接口。内部设有参考电压源，提供稳定的2.8V电压（可外接电位器来调整到要求值）。最高转换速率为30次S。,2019/5/19,53,集成化双积分式 AD转换器,ICL7135（美Intersil公司产品）。它是一种4字位BCD码动态扫描输出的单片集成双积分式A/D转换器。满量程输入为-2V02V，自动极性，单参考电压源，自动校零。,2019/5/19,54,一、ICL7135型双积分式A/D转换器,ICL7135内部电路组成结构 ICL7135双积
16、分式 AD转换器是在单极性参考电压（VR=1V）供给之下，对双极性输入的模拟电压进行 AD转换，并输出自动极性判别信号。它采用了自动校零技术，可保证零点在常温下的长期稳定性。零点漂移的温度系数2V/。模拟输入可以是差动信号，输入电阻极高，输入端零点漏电流10 pA。,ICL7135,2019/5/19,56,ICL7135内部电路 组成结构,ICL7135的参考电压存贮电容CR、积分电阻RINT、积分电容CINT以及校零电容CAZ是外接元件。单极性的参考电压需外加，一般情况下 VR= 1V。电源电压为5V。 ICL7135在逻辑电路控制下，由12个模拟开关的导通或截止状态的组合，把一次转换周期分成四个阶段：自校零阶段（AZ）；对被测
