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：
图3.2 积分电路框图
图3.2表明基本的积分放大电路，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3.4 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馈放大器形式，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转换器模拟电路部分，图中放大电路选用比较精密的Op07，，比较器选用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）原理同书上相同，想通过可选择量程的放大器，在
通过积分电路，在通过比较器，不同的是加了一个Vref
28
参考电压，当积分小于一
个低电平时，再通过对-Vref
28
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较复杂，需要在不同状态中控制不同的开关，因此并没有进行观察波形的模拟。

3.3 一个简单的DVM仿真
由于多斜式积分ADC电路比较复杂，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
组成的寄存器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，每次转换结束后EOC发出结束信号，将数据存入寄存器中，寄存器在每次时钟上升沿状态时进行下一状态输出。

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
本次大作业需要了解的知识很多。

花费了一些时间去研究前人的经验，以及熟悉软件的应用。

虽然过程艰难，但是结果还是令人满意的。

五．参考文献
[1]赵会兵,朱云电子测量技术[M]. 高等教育出版社，2011,10.
[2]张凡.微机原理与技术接口[M].清华大学出版社北京交通大学出版社，2010,9.
[3]侯建军.数字电子技术基础(第二版)[M].高等教育出版社,2007,12.
[4]朱定华.模拟电子技术[M].清华大学出版社北京交通大学出版社，2006,5.。