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1、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VT型A/D转换器，原理电路如图-1(a)所示，由积分器、比拟器、计数器和局部控制电路组成。工作过程如下：1平时即A/D转换之前，转换控制信号vC=0，计数器和触发器FFc被清零，门G1、G2输出低电平，开关S0闭合使电容C完全放电，S1掷下方，比拟器输出vB=0，门G3关闭。2vC=1时，开关S0断开，开关S1掷上方接输入信号VI，积分器开始对VI积分，输出电压为 (2.1)显然vO是1条负向积分直线，如图-1(b)中t=
2、0T1段实线所示。与此同时，比拟器输出vB=1因vO0，门G3开启，计数器开始计数。3当积分到t=T1=2nTcp时其中Tcp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S1掷下方接基准电压VREF，积分器开始对VREF进展积分。设t=T1时，vO下降到vO=VO1，由式2.2图 双积分型A/D转换器(a) 原理电路 (b)输出电压波形因为VREF为负值，所以从V01开始向相反方向积分，即 2.3vO波形如图(b)中t=T1T1+T2段实线所示。 4当t=T1+T2时，vO上升到vO=0V，vB=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
3、间T2。由图可知，输入信号VI越大，|VO1|越大，T2就越大。将式、t=T1+T2和vO=0V代入式中，得2.4从而有2.5显然，计数器中的数字dn-1dn-2d1d0与输入信号VI成正比。例如当设10位双积分型A/D转换器的基准电压VREF=8V，时钟频率fcp=1MHz，请问输入电压VI=2V时=0100000000B2.2三斜积分式AD转换器图三斜积分式AD转换器的原理图图是一个三斜积分式AD转换器的原理图。它由基准电压-VREF、积分器、比拟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S0使电容C完全放电。转换开始，断开S0。整个转换过程分三步进展：首先，令
4、开关S1置于输入信号Ui一侧。积分器对Ui进展固定时间T1的积分。积分完毕时积分器的输出电压为：可见积分器的输出电压与Ui成正比。这一过程也称为转换电路对输入模拟电压Ui的采样过程。图三斜积分式AD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-VREF一侧，采样阶段完毕。三斜积分式AD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
5、两局部。在T21期间，积分器对基准电压-VREF进展积分，放电速度较快；在T22期间积分器改为对较小的基准电压 进展积分,放电速度较慢。在计数时,把计数器也分为两段进展计数。在T21期间,从计数器的高位(2m位)开始计数，设其计数值为N1；在T22期间，从计数器的低位20位开始计数，设其计数值为N2。如此计数器中最后的读数为:N= N1+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，如此|Ux|T1=VrefT21+()T22(2.7)其中: T21=N1Tc T22=N2Tc 将上式进一步整理，可得三斜式积分式A/D转化器的根本关系式为 Vx=(2.8)本设计中
6、，取m=8，时钟脉冲周期Tc=120us，基准电压VREF=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=76.8ms，而传统的双积分式AD转换器在一样的条件下所需的积分时间T1=307.2s,可见三斜积分式AD转换器可以使转换速度大幅度提高。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。它的特点是比拟期由两段斜坡组成，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，使比拟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，
7、因而转换速度也快。图 多积分A/D转换电路系统中有两个比拟器，比拟器1的比拟电平为0电平，比拟器2的比拟电平为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；比拟期I：Spb接通，Sx、Sps断开，积分器对极性与Vi相反的基准电压Er进展积分，由于Er数值较大，故积分速度较快，积分周期为T21；比拟期：当积分器输出达到比拟器2的比拟电平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，比拟器1动作，通过控制电
8、路使所有开关断开，积分器停止积分，一次A/D转换完毕。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。图多积分A/D转换器的特性三模拟仿真此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。3.1.1外部电路研究：Multisim中有一个通用的ADC转换器，对此芯片进展研究，发现它的大致原理正是基于双积分型ADC的思想，我们可以用其进展模拟分析验证。图 双积分型A/D转换器multisim仿真我给出Vref=5V，D=2n其中输出数字量位数
9、2n=255，D=255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，否如此就要加一个DAC才可以观测到波形。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：图3.2 积分电路框图图3.2明确根本的积分放大电路，我们可以利用这个电路实现积分运算，波形显示如图3.3所示：图3.3 积分输出波形基于DVM考虑，我们可以选择不同量程，结合模拟电路知识，我给出以下一种连接方式：图 输入放大与量程转换电路如图3.4所示，电路被接成了电压串联负反应放大器形式
10、，输入电阻高并且电路输入端采用RC低通滤波电路抑制交流干扰，两个不同开关控制不同的量程，可实现不同量级的A/D转换。计数器：理论学习中提到的逻辑计数器我们可以用触发器实现，以下给出三级JK触发器的连接方式：三级连接可以记录三位二进制数字，即可以从0-7，J1开关实现锁数，J2开关负责清零，在时钟脉冲下可以实现从0-7的计数。图3.5 三级JK触发器计数器图3.6 计数器输出波形3.2 三积分型ADC电路 结合对书上知识的理解我设计出图5为三斜积分A/D转换器模拟电路局部，图中放大电路选用比拟精细的Op07，比拟器选用LM311；图中的开关都可以用逻辑控件控制如单片机，只要将各个开关控制端接到单
11、片机不同控制端口上即可实现不同的开关通断控制原理同书上一样，想通过可选择量程的放大器，在通过积分电路，在通过比拟器，不同的是加了一个参考电压，当积分小于一个低电平时，再通过对-的积分产生反向电压，达到三积分效果。图3.7 三积分型ADC框图由于三积分电路积分过程比拟复杂，需要在不同状态中控制不同的开关，因此并没有进展观察波形的模拟。3.3 一个简单的DVM仿真由于多斜式积分ADC电路比拟复杂，需要一些逻辑控件，在multisim环境中对我来说有些困难。用单片机proteous仿真可能可以实现相应要求，在这里，我仅利用multisim中的基于双积分ADC思想的ADC芯片和一个由8个D触发器组成的
12、存放器74ls373给出一种简单的DVM模拟。如图3.8所示，参考电压为5V，输入正弦电压Vp=3V通过ADC芯片转换成数字信号，每次转换完毕后EOC发出完毕信号，将数据存入存放器中，存放器在每次时钟上升沿状态时进展下一状态输出。通过示波器观察输出波形与数码管显示数字的关系。图3.8 基于双积分型ADC的DVM设计图3.9 输入电压与数码管显示对照关系图3.10 各位输出波形从图3.9可见，数码管显示数字和模拟电压输出呈现对照关系，但数码管是十六进制，利用74ls47可以实现4321BCD转换，且根据双积分型ADC公式可以将数码管结果换算成模拟电压的数值，实现DVM功能。四总结本次研讨，需要深
13、刻理解积分型ADC的原理，加以利用，实现各种功能。在课上，我们学习的知只是框图，里面内容的构造还需要自己研究。在本次实验中，我重点对积分电路和计数器进展了探讨分析，所用器件比拟简单，在屡次积分的设计上，还需要多个逻辑控件才能实现，难度较大，在研究过程中，我感到自己的水平有限。很多知识还要花时间用探索，在这里，由于水平和时间的限制，我只是做了简单的DVM仿真，在以后的学习中，我还会继续学习多斜积分式ADC的相关知识，完成这局部的模拟。所以说，这份报告并没有达到教师的要求，请教师谅解。不过在本次的学习中，我可以将很多学科知识结合起来，加深了对积分AD转换器的理解，并有一定的创新，也算有一些收获。五参考文献1赵会兵,朱云电子测量技术M. 高等教育，2011,10.2X凡.微机原理与技术接口M.清华大学 交通大学，2010,9.电子技术根底(第二版)M.高等教育,2007,12.4朱定华.模拟电子技术M.清华大学 交通大学，2006,5.
