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双积分模数转换电路的设计


大型应用性电路设计与调试

双积分A/D转换电路的设计
应用背景:3位半电压表 技术指标:
测量电压范围: 0~2V 测量精度: 1mV 转换速率: 50ms or 20ms 显示方式: LED数码管显示

课程内容
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双积分A/D转换原理
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V-T转换原理 时间刻度细分原理 三个控制开关设计原理 数码显示原理

系统主要参数计算 ? 实验安排及实验报告要求
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A/D转换的方法和种类
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双积分法--------电压的充电和放电 (与运放的频带宽度有关)(三位半数字电压表) 逐次比较法-----每次与减一半的电压比较 (与转换精度有关,8位需比较9次) (0800D/A转化器、全加器和逻辑组合电路实现) 量化反馈法-----量化后的电压反馈回输入端再进行比较 (速率比逐次比较快一些) (几个电压比较) 并行法-----------同时一次性与不同的电压比较 (速率最高,一个时钟脉冲)(多个电压比较)

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设计目的
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不过分注重设计结果,而是注重设计过程 通过实验电路的设计,加强光电仪器电子学 系统的设计、调试能力。 熟悉双积分A/D转换原理

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加强运放构成的积分电路的应用技术
加强模拟电路和数字电路的混合应用技术 锻炼科技写作能力(研究报告)

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双积分A/D转换原理
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V-T转换原理 时间刻度细分原理 三个控制开关设计原理 数码显示原理

V-T转换原理
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电压(V)用时间(T)来度量
时间测量电路在数字电路中易于实现

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实现方法:双积分原理

积分电路
Vi dV0 Ir ? I C ? ?C R dt

I r ? IC
V0末 ? V0 初
t

1 ?? V ( i t)dt ? RC t0
t

t

V0末 ? V0初 若分时段施加不同电压:

1 1 1 i ?? V ( VR (t )dt i t)dt ? ? ? RC t0 RC t1

双积分电路
V0末 ? V0初 1 1 ?? V ( VR (t )dt i t)dt ? ? ? RC t0 RC t1
一次积分
(充电过程) Vi为被测电压 (恒定电压)

t1

ti

令V0初为零;

二次积分
(放电过程) VR为基准电压 (恒定电压)

若 t = ti 时刻,V0末也为零时,
则Vi电压为正,VR必须为负;

T = t1 - t0

Ti = ti - t1

双积分电路
V0末 1 1 ?? ViT ? VRTi RC RC
斜率是固定的 当V0末为零时, Ti为对应的过零 时刻 测量过程

(ViT ? VRTi ) ? 0
VR Vi ? ? Ti T
若基准电压VR为负电压 采样时间 T 恒定 则只要测出Ti(用数字表 示)的大小,就可知被测 电压Vi

斜率是可变的 当积分过程结 束时, Vi越大V0越负 采样过程

Vi越大,过零的时间越长

双积分输出电压随时间变化的关系曲线
清零阶段(K3)

采样阶段(K1)
测量阶段(K2)
设:K1:K2:K3=1:2:1 重复测量时间=50ms K1=12.5ms K2=25ms K3=12.5ms

双积分电路原理

跟随器

模拟开关

积分电路

比较器

双积分转换电路各点波形
关键 技术:
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时间刻度 细分原理

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三个模拟开 关设计原理

关键技术1 :时间刻度细分原理
Ti niTS ni Vi ? ? VR ? ? VR ? ? VR T nTS n
其中,TS为计时周期; n为采样时间内的时钟脉冲个数; ni为测量 时间内的脉冲个数; VR为基准电压 Vi为被测电压 时钟电路 n进制计数器 数据锁存器 -2V 0~2V

测量显示时间计数器原理框图

关键技术2 :三个模拟开关设计原理
--------开关控制脉冲的产生

K1 ? Q1 K 2 ? Q1? Q0 K 3 ? Q1? Q0
利用两类门电路 组合逻辑实现

三个模拟开关设计原理
--------4066模拟开关

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4066有四个模拟开关 VDD–VSS=15V,工作在双电源,则最大为±7.5V 若VDD和VSS分别为±5V,则不需要电平提升电路

开关控制脉冲发生器原理

四张电路原理框图

基准电压

宽脉冲变窄脉冲

系统主要参数计算
系统主频CP 基准电压VR

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系统主频CP(4MHz)
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系统主频与设计指标的关系:
(1)被测电压的最小分辨率---------1mV(定计数值) (2)被测电压的最大值---------------2V(定参考电压) (3)转换速率------------------------50ms(定周期)

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根据公式: V ? ? Ti V ? ? niTS V ? ? ni V i R R R

T

nTS

n

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其中,T=12.5ms、n = 2000、TS = 6.25μs,fS = 160KHz。 采用4MHz的时钟(石英晶体)经25分频得160KHz。

基准电压VR(–2V)
Ti niTS ni Vi ? ? VR ? ? VR ? ? VR T nTS n
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当n=2000、ni=2000时 ,Vi = –VR 由此可设想,当VR不等于–2V时, ni=2000, 也不再代表Vi = 2V。
结论:基准电压的基准值和稳定性十分重要

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实验要求-两周完成
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整理出完成电路原理图 计数(计时)电路调试(2000进制计数器) 控制开关脉冲调试与测量 测量电压与参考电压的调试 双积分电路的调试 显示电路的调试(仅连接 BCD码即可) 测量误差分析(测量多组待测电压)

实验报告要求
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格式要求:四人共同完成一份报告,分工明确,电子打 印,封面与装订。 内容要求:
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设计目的 设计指标 成员分工 基本原理 设计步骤 装调与测试过程 系统改进与评价 实验收获与体会 对本课程的建议

积分时间常数RC(12.5ms)
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1 充电过程: V0 末 ? ? ViT RC 1 放电过程: V0 末 ? ? VRTi ? V0 初 RC

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由于Vi的最大电压为2V,运放的输出饱和电压与电源电 压有关, 电源±12V,运放输出饱和电压约±10V,T:RC<5:1; 电源±5V, 运放输出饱和电压约±4V, T:RC<2:1; RC = T = 12.5ms,取C = 0.1? F,则R=125KΩ (120K Ω)


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