双积分式A/D转换器

双积分式A/D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。由于该转换电路是对输入电压的平均值进行交换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。

图1是双积分式A/D转换器的原理电路，它由积分器（由集成运放A组成），过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时/计数器（ ）等几部分组成。

图1 双积分A/D转换器

积分器 是转换器的核心部分，它的输入端所接开关 控制。当 为不同电平时，极性相反的输入电压 将分别加到积分器的输入端，进行两次方向相反的积分，积分时间常数t=RC。

过零比较器 用来确定积分器输出电压 过零的时刻。当 ³0时，比较器输出 为低电平；当 <0时， 为高电平。比较器的输出信号接至时钟控制门（G）作为关门和开门信号。

计数器和定时器 由 个接成计数型的触发器 串联组成。触发器 组成n级计数器，对输入时钟脉冲CP记数，以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变成数字信号输出。当记数到 个时钟脉冲时， 均回到0态，而 翻转为1态， 后开关 从位置A转接到B。

时钟脉冲控制门 时钟脉冲源标准周期 作为测量时间间隔的标准时间。当v_c=1时门打，时钟脉冲通过门加到触发器FF₀的输入端。

下面以输入正极性的直流电压 为例，说明电路将模拟电压转换为数字量的基本原理。电路工作过程分为以下几个阶段进行，图中各处的工作波形如图2所示。

（1）准备阶段

首先控制电路提供CR信号使计数器清零，同时使开关 闭合，待积分电容放电完毕后，再使 断开。

（2）第一次积分阶段

在转换过程开始时（t=0），开关 与A端接通，正的输入电压 加到积分器的输入端。积分器从0V开始对 积分，其波形如图7.24斜线O- 段所示。根据积分器的原理可得

由于 <0，过零比较器输出为高电平，时钟控制门G被打开。于是，计数器在CP作用下从0开始记数。经 个时钟脉冲后，触发器 都翻转到0态，而 =1，开关 由A点转接到B点，第一次积分结束。第一次积分

令 为输入电压在 时间间隔内的平均值，则由 可得第一次积分结束时积分器的输出电压为 ：

（3）第二次积分阶段

时， 转接到B点，具有与 相反极性的基准电压- 加到积分器的输入端；积分器开始向相反方向进行第二次积分；当 时，积分器输出电压 ，比较器输出

v_c=0，时钟脉冲控制门G被关闭，记数停止。在此阶段结束时 的表达式可写为

设 ，于是有

在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为 ，则

可见， 就是双积分A/D转换过程中的中间变量。

上式表明，在计数器中所计得的数 ，与在取样时间 内输入电压的平均值 成正比的。只要 ，转换器就能正常的将输入模拟电压转换为数字量，并能从计数器读取转换的结果。如果取 ，计数器所计的数在数值上就等于被测电压。

图2 双积分式A/D转换器各处的工作波形

由于双积分A/D转换器在 时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。尤其对周期等于 或几分之一 的对称干扰（所谓对称干扰是指整个周期内平均值为零的干扰），从理论上来说，有无穷大的抑制能力。即使当工频干扰幅度大于被测直流信号，使得输入信号正负变化时，仍有良好的抑制能力。由于在工业系统中经常碰到的是工频（50HZ）或工频的倍频干扰，故通常选定采样时间 总是等于工频电源周期的倍数，如20ms或40ms等。另一方面，由于在转换过程中，前后两次积分所采用的同一积分器。因此，在两次积分期间（一般在几十至数百毫秒之间），R、C和脉冲源等元器件参数的变化对转换精度的影响均可以忽略。

最后必须指出，在第二次积分阶段结束后，控制电路又使开关 闭合，电容C放电，积分器回零。电路再次进入准备阶段，等待下一次转换开始。