电子测量第二次大作业解析

电子测量大作业

2015.12

学 院： 电信学院 专 业： 通信工程

学 号： 学 生： 指 导 教 师：

朱云

一．研究题目：

4-19：在Multisim 环境下，设计一种多斜积分式DVM ，给出原理图和仿真实验结果。

二．积分型A/D 转换电路

2.1 双积分型A/D 转换电路

双积分型ADC 是1种V —T 型A/D 转换器，原理电路如图12.2.2-1(a)所示，由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。工作过程如下：

（1）平时（即A/D 转换之前），转换控制信号v C =0，计数器和触发器FFc 被清零，门G1、G2输出低电平，开关S 0闭合使电容C 完全放电，S 1掷下方，比较器输出

v B =0，门G3关闭。

（2）v C =1时，开关S 0断开，开关S 1掷上方接输入信号V I ，积分器开始对V I 积分，输出电压为

?

-

=-

=t

t RC

V dt V RC

v 0

I

I O 1

(2.1)

显然v O 是1条负向积分直线，如图12.2.2-1(b)中t =0～T 1段实线所示。与此同时，比较器输出v B =1（因v O <0），门G3开启，计数器开始计数。

（3）当积分到t =T 1=2n T cp 时（其中T cp 是时钟CP 的周期），n 位计数器计满2n 复0，FFc 置1，门G2输出高电平，开关S 1掷下方接基准电压（－V REF ），积分器开始对（－V REF ）进行积分。

设t =T 1时，v O 下降到v O =V O1，由式（3.1）

1I

O1T RC

V V -

= （2.2）

)()(1

1REF

O11

REF O1O T t RC

V V dt V RC

V v t

T -+

=--

=?

（2.3）

v O 波形如图3.5(b)中t =T 1～（T 1+T 2）段实线所示。

（4）当t =T 1+T 2时，v O 上升到v O =0V ，v B =0，门G3被关闭，计数器停止计数，此时计数器中保存下来的数字就是时间T 2。由图可知，输入信号V I 越大，|V O1|越大，T 2就越大。将式（3.2）、t =T 1+T 2和v O =0V 代入式（3.3）中，得

2REF 1O =+-

=T RC V

T RC V v I

（2.4）

从而有

1REF

I

2T V V T =

（2.5）

显然，计数器中的数字d n-1d n-2…d 1d 0与输入信号V I 成正比。

例如当设10位双积分型A/D 转换器的基准电压V REF =8V ，时钟频率f cp =1MHz ，请问输入电压V I =2V 时

)(2REF

I REF I 1)10(V V

V V T T D n CP ==

256)8

2

(2)(

210REF I )10(===V V D n =010*******B

2.2三斜积分式A ／D 转换器

图2.2 三斜积分式A ／D 转换器的原理图

图2.2是一个三斜积分式A ／D 转换器的原理图。它由基准电压-V REF 、 、积分器、比较器和由单片机构成的计数控制电路组成。

转换开始前，先将计数器清零，并接通S 0使电容C 完全放电。转换开始，断开S 0。整个转换过程分三步进行：

首先，令开关S 1置于输入信号U i 一侧。积分器对U i 进行固定时间T 1的积分。积分结束时积分器的输出电压为：

可见积分器的输出电压与U i 成正比。这一过程也称为转换电路对输入模拟电压U i 的采样过程。

图2.3三斜积分式A／D转换波形图

在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器对周期为Tc的计数脉冲CP计数。当计数器达到满量程N1，此时计数器由全“1”恢复为全“0”，这个时间正好等于固定的积分时间T1，。计数器复“0”时，同时给出一个溢出脉冲（即进位脉冲）使控制逻辑电路发出信号，令开关S

1

转换至参考电压-V REF一侧，采样阶段结束。三斜积分式A／D转换器的转换波形是将双积分式A/D的反向积

分阶段T2分为图4所示的T

21、T

22

两部分。在T

21

期间，积分器对基准电压-V

REF

进

行积分，放电速度较快；在T

22

期间积分器改为对较小的基准电压进行积分,放

电速度较慢。在计数时,把计数器也分为两段进行计数。在T

21

期间,从计数器的

高位(2m位)开始计数，设其计数值为N

1；在T

22

期间，从计数器的低位（20位）

开始计数，设其计数值为N

2

。则计数器中最后的读数为:

N= N1×2n+N2 (2.6)

在一次测量过程中，积分器上电容器的充电电荷与放电电荷是平衡的，则

|Ux|T1=Vref×T21+(VREF

2

)T22 (2.7)

其中: T21=N1T c T22=N2T c

将上式进一步整理，可得三斜式积分式A/D转化器的基本关系式为

V x=K×N1+N2

K×N1

Vref(2.8)

本设计中，取m=8，时钟脉冲周期Tc=120us，基准电压V

REF

=5V，并希望把

2V被测电压变换成N=65536码读数时，由上式可以计算出T

1

=76.8ms，而传统的

双积分式A／D转换器在相同的条件下所需的积分时间T

1

=307.2s,可见三斜积分式A／D转换器可以使转换速度大幅度提高。

2.3多斜式积分AD转换电路

多斜分式ADC如图3-1所示。面简单介绍三重积分式ADC的工作原理。它的特点是比较期由两段斜坡组成，当积分器输出电压接近0点时，突然换接数值较小的基准电压，从而降低了积分器输出电压的斜率，延长积分器回0的时间，使比较周期延长以获得更多的计数值，从而提高了分辨率。而积分器在输出电压较高时，接入数值较大的基准电压，积分速度快，因而转换速度也快。

图2.4 多积分A/D转换电路

系统中有两个比较器，比较器1的比较电平为0电平，比较器2的比较电平为V′，同时有两个基准电压Er和Er/2m。工作过程如下：

采样期：Sx接通，Spb、Sps断开，积分器对被测电压Vi积分，积分周期恒定为T1；

比较期I：Spb接通，Sx、Sps断开，积分器对极性与Vi相反的基准电压Er 进行积分，由于Er数值较大，故积分速度较快，积分周期为T21；

比较期Ⅱ：当积分器输出达到比较器2的比较电平V′时，通过控制电路使开关Sps接通，Spb、Sx断开，积分器对Er/2m积分。由于基准电压减小，因而积分速度按比例降低。当积分器输出电压达到零伏时，比较器1动作，通过控制电路使所有开关断开，积分器停止积分，一次A/D转换结束。

因为多积分式A/D转换器要比单积分或双积分A/D转换器的运算快而且准确，固采用多积分式A/D转换器。

图2.5多积分A/D转换器的特性

三．模拟仿真

本题目要求同用到多斜式积分ADC设计DVM，我们除了要求做到模拟ADC的仿真，也要考虑到不同的量程，首先从两级积分型ADC开始研究，逐层深入，最后达到目的。

3.1双积分型ADC

3.1.1外部电路研究：

Multisim中有一个通用的ADC转换器，对此芯片进行研究，发现它的大致原理正是基于双积分型ADC的思想，我们可以用其进行模拟分析验证。

图3.1 双积分型A/D 转换器multisim 仿真

我给出Vref=5V ，D=2n V VREF 其中输出数字量位数2n =255，D=255V

VREF

当输入电压为1V 时，D=255/5=51，用十六进制表示为33，同理，输入为5V 时D=255，用十六进制表示为FF 。

在用三或多斜式积分电路上我们不能用到此芯片，否则就要加一个DAC 才可以观测到波形。 3.1.2内部电路分析

双积分型ADC 主要有两个模块构成，积分电路和计数器，我们将两块分别来模拟。 积分电路：