双积分型ADC工作原理解析

双积分型A／D转换器是一种间接的A／D转换器，其原理框图如图9－9所示，先将输入的模拟信号电压通过两次积分转换为与之成正比的时间间隔；然后，用固定频率的时钟脉冲和计数器测量此时间间隔，此时，计数器输出的数字量就是正比于模拟量的输出数字信号。因此，双积分型A／D转换器又称电压－时间变换型ADC（简称V－T形双积分型ADC）。

图9－9　双积分型AD转换器原理框图

如图9－9所示，双积分型ADC包括积分器、比较器、计数控制门、计数器和逻辑控制电路等几部分。

双积分型A／D转换器在转换前先将计数器清零，并接通开关S2，使电容C完全放电，其实际转换过程分两步进行。

第一步（第一次积分）对模拟电压uA进行固定时间积分。转换开始时t＝0，FF n的输出Qn为0，通过逻辑控制电路使开关S1与A点闭合，同时断开S2，这样，将取样保持后的模拟电压uA加到积分器，积分器从原始状态0 V开始对uA进行积分。积分器的输出电压u o1为

由于积分器输出电压u o1是从零向负方向变化，即u o1＜0，其波形如图9－10所示，此时比较器输出u o2为高电平，计数器控制门被打开，周期T C的时钟脉冲CP使计数器从零开始计数，一直到t＝T1＝2n T C时，n级计数器被计满溢出，FF n－1～FF0被清零，此时FF n的输出Qn由0变为1，通过逻辑控制电路使开关S1与B点闭合，即将－U REF送至积分器进行二次积分。

由此可见，在第一次积分时，积分器对uA进行定时（T1）积分，输出电压u o1（t1）为

显然，uA值越大，则u o1（t1）的绝对值也越大。(www.xing528.com)

第二步（第二次积分）对参考电压－U REF进行固定斜率积分，将uA转换成与之成正比的时间间隔T2。T＝t1以后，与被测电压uA极性相反的参考电压－U REF加到积分器，积分器对－U REF进行反向积分，计数器又从0开始计数。积分器输出电压u o1从初始负值u o1（t1）开始，以固定斜率U REF／RC向正方向回升。当计数器计数至第N个脉冲时，u o1反向积分到0 V，比较器输出u o2＝0 V，计数器停止计数，第二次积分结束。

图9－10　双积分型A／D转换器的波形

第二次积分时间间隔T2可按下式计算：

因t2－t1＝T2，得

可见，T2与uA成正比，T2就是双积分转换电路的中间变量。

又因为T2＝NT C，所以。

可见计数脉冲个数N与输入模拟电压uA成正比，即计数器计数值Qn－1…Q0就是uA对应的二进制数字编码表示，从而实现了A／D转换。

双积分型A／D转换器电路的一个突出特点是工作性能稳定，在二次积分中RC时间常数相同，故R、C参数对转换精度影响较小，对时间常数要求不高。另外还具有较强的抗工频干扰能力，因为积分电路对于工频电源周期整数倍的干扰信号，输出平均值为零。电路结构也较简单。但其不足之处是完成一次A／D转换时间较长，转换速度低。常用于工业仪表，如数字式直流电压表、数字式温度计等。