电子测量大作业419题.docx

电子测量技术大作业

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二零一三年十二月

第一题：

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

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。

（ ）v C 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，

2 =1 输出电压为

1

t

V I

v O

V I dt

t

RC

显然 v O 是

RC 0

中 t

～T 1 段实线所示。与此同

1 条负向积分直线，如图

12.2.2-1(b)

=0

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（）

V O1

V I

T 1

（）

RC

图 双积分型 A/D 转换器

(a) 原理电路 (b) 输出电压波形

因为（－ V REF ）为负值，所以从 V 01 开始向相反方向积分，即

v O V O1

1 t

( V REF )dt V O1

V REF

(t T 1 )

（）

RC

T

1

RC

v O 波形如 (b) 中 t =T 1～（ T 1+T 2）段 所示。

（ 4）当 t =T 1 +T 2 ， v O 上升到 v O =0V ， v B =0， G3被关 ， 数器停止 数，此 数器中保存下来的数字就是 T 2。由 可知， 入信号 V I 越大， | V O1| 越大， T 2 就越大。将式（）、t =T 1 +T 2 和 v O =0V 代入式（）中，得

V I

T 1

V

REF

T 2

（）

v O

RC

RC

从而有

T 2

V

I

T 1

（）

V REF

然， 数器中的数字

d n-1 d n-2 ⋯d 1d 0 与 入信号 V I 成正比。

例如当 10 位双 分型 A/D 器的基准 V REF =8V ， 率 f cp =1MHz ，

入 V I =2V

D

(10)

T 1 V I

2 n ( V I

)

T

CP

V

REF V

REF

D (10)

2n

(

V

I )

210 ( 2 ) 256 =00B

V REF

8

三斜积分式 A ／ D 转换器

图

三斜积分式

A ／D 转换器的原理图

是一个三斜 分式

A ／D 器的原理 。 它由基准

-V REF 、 、 分器、

比 器和由 片机构成的 数控制 路 成。

开始前，先将 数器清零，并接通

S 0 使 容 C 完全放 。 开始，

断开

S 0。整个 程分三步 行：

首先，令开关 S 1 置于 入信号 U i 一 。 分器 U i 行固定 T 1 的 分。

分 束 分器的 出 ：

可 分器的 出 与

U i 成正比。 一 程也称 路 入模

U i 的采 程。

图三斜积分式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S1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 T21、 T22两部分。在 T21期间，积分器对基准电压 -V REF进行积分，放电速度较快；在 T22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 T21期间 , 从计数器的

m0

高位 (2 位) 开始计数，设其计数值为N1；在 T22期间，从计数器的低位（ 2 位）

N= N1×+N2

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|T 1=Vref T21+( )T 22

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=

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 T1 =，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 T1=, 可见三斜积分式 A／ D转换器

可以使转换速度大幅度提高。

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。