雙積分式ADC的原理及如何設(shè)計

引言

A／D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部分，也是計算機應(yīng)用系統(tǒng)中一種重要的功能接口。目前市場上有兩種常用的A／D轉(zhuǎn)換芯片，一類是逐次逼近式的，如AD1*，其特點是轉(zhuǎn)換速度較高，功率較低。另一類是雙積分式的，如ICL7135，其特點是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾能力強。但高位數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器價格相對較高。本文介紹的一種基于單片機的高精度、雙積分型A／D轉(zhuǎn)換電路，具有電路體積小、成本低、性價比高、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試容易和工作可靠等特點，有很好的實際應(yīng)用價值。

1 雙積分式ADC基本原理

雙積分式ADC的基本電路如圖1所示，運放A 1、R、C用來組成積分器，運放A2作為比較器。電路先對未知的模擬輸入電壓U1進行固定時間T1的積分，然后轉(zhuǎn)為對標(biāo)準(zhǔn)電壓U0進行反向積分，直到積分輸出返回起始值，反向積分時間為T0。如圖2所示，輸入電壓U1越大，則反向積分時間越長。整個采樣期間，積分電容C上的充電電荷等于放電電荷，因而有由于U0及T1均為常數(shù)，因而反向積分時間T0與輸入模擬電壓U1成正比，此期問單片機的內(nèi)部計數(shù)器計數(shù)值與信號電壓的大小成正比，此計數(shù)值就是U1所對應(yīng)的數(shù)字量。

2 實用雙積分A／D轉(zhuǎn)換電路

1)硬件電路圖

如圖3所示，運放A1、R、C構(gòu)成積分電路，C常取0．22μF的聚丙烯電容，R常取500kΩ左右，A2是電壓跟隨器，為電路提供穩(wěn)定的比較電壓，運放 A3作為電壓比較器，保證A／D轉(zhuǎn)換電平迅速翻轉(zhuǎn)，CD4051是多路選擇開關(guān)，單片機P1．0、P1．1、P1．2作為輸出端口，控制其地址選擇端A、 B、C選擇不同的通道輸入到積分器A1，U為將要進行A／D轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓，Uin為積分器的輸入電壓，U0為比較電壓，U1為基準(zhǔn)電壓，為使A／D 轉(zhuǎn)換結(jié)果具有更高的精度，基準(zhǔn)電路應(yīng)該提供精確的電壓，建議使用精度為1％的精密電阻，單片機使用89C51，其內(nèi)部定時器T0為積分電路提供精確的時間定時，計數(shù)器T1用來記錄反向積分時間，INT0用來檢測比較器電平變化。所需測量的模擬輸入信號和零點參考電壓以及基準(zhǔn)電壓接到多路選擇開關(guān)的輸入端，通過單片機中的程序控制，輪流選擇接入各路輸入信號，通過積分電路分別和固定電壓進行定時或定值積分。

積分電路的輸出信號作為比較器的輸入信號與比較電壓進行比較，當(dāng)比較器輸出翻轉(zhuǎn)信號時，CPU計數(shù)器停止計數(shù)，從而獲得零點參考電壓的計數(shù)值，對這個數(shù)據(jù)進行處理計算后，完成A／D轉(zhuǎn)換。

2)轉(zhuǎn)換過程

為了給積分電路提供積分零點，在系統(tǒng)上電階段，積分電路先接通GND，待比較器輸出為低電平時，再對積分電路進行一段時間的放電，以使得積分電容零電荷。因此雙積分電路的工作過程分為三個階段：

(1)清零階段：當(dāng)比較器輸出低電平時，積分電容上*了大量電荷，必須對其放電為后續(xù)的A／D轉(zhuǎn)換提供精確的零起始點。即對U0進行定值積分，由

其中T1、U0、R、C、U1均為常數(shù)，即對零電平的積分時間T0與模擬輸入電壓U成正比，T0即為所求值。具體轉(zhuǎn)換波形如圖4所示。

3)軟件設(shè)計

單片機內(nèi)部定時器T0分別控制對基準(zhǔn)電壓和模擬電壓的定時積分，計數(shù)器T1用來記錄反向積分時間，P1．0、P1．1、P1．2控制多路選擇開關(guān)的通道，且單片機以查詢方式檢測比較器的輸出電平。以上分析可知該系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換流程圖如圖5所示。

3 電路特點分析

由上述分析可知，模擬電壓U大于基準(zhǔn)電壓U1時，在對模擬電壓U定時積分后對零電平進行定值積分，波形圖如圖4所示。而當(dāng)模擬電壓U小于基準(zhǔn)電壓U1時，在對模擬電壓U定時積分后應(yīng)對U0進行定值積分，只需在軟件設(shè)計上加以區(qū)別或提供負值的基準(zhǔn)電壓即可。本電路充分利用了單片機成本低廉、可靠性高的優(yōu)勢，主要元件僅僅為一個單片機89C5 1、一個多通道模擬開關(guān)CD4051、一個四運放LM324，因而結(jié)構(gòu)簡單，性價比高。實際應(yīng)用表明，此雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的特點是工作性能穩(wěn)定并且抗干擾能力比較強，但從原理分析可知，該電路存在固有的延遲，因此不適合采集連續(xù)快速變化的信號。

4 結(jié)束語

本設(shè)計電路保留了雙積分A／D轉(zhuǎn)換的主要特點，且整個電路構(gòu)成的成本非常低廉。只要合理選擇、調(diào)整電路參數(shù)，減少數(shù)據(jù)處理誤差，就可以進一步提高轉(zhuǎn)換精度和速度，且具有轉(zhuǎn)換過程簡單、轉(zhuǎn)換精度高和成本低等突出的特點。因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他應(yīng)用系統(tǒng)中有很好的使用價值。

本文創(chuàng)新點：本文采用了多路選擇開關(guān)CD4051實現(xiàn)了積分器輸入變量的轉(zhuǎn)換，單片機控制其通道的選擇，完成了清零、積分、比較各環(huán)節(jié)，完成雙積分A／D，此電路具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，穩(wěn)定性好的特點。