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2015-10-29 11:15
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运用于温度传感器的双积分模数转换电路计算(上) 写在前面: 在网上发表一篇文章实在不易,特别是像以下这种有很多公式的,还好有直接导入WORD的功能,要不然我都不想发了。就算有导入功能也还是挺折腾的,首先是字数超过了,我实际的字数没多少的,可能是公式或图片的关系。最后没办法,只能拆成两部分来发。解决了篇幅问题又发现有个别公式导入不成功,无奈只得将那些公式截图再上传!各位如果有好办法上传文章的还请不吝赐教! 另外,本人才疏学浅,写的这些东西可能很不成熟,也可能错漏百出,斗胆发到博客上来就是希望得到大家的批评和指正,这样才能有进步是吧! 所以,文中如有不妥之处,还请各位多多包涵并加以批评和指正,谢谢! 1. 双向积分实现的模数转换基本原理 1.1 清零过程: 每次对信号读取之前,原积分电路中会有残留电压,为确保测量的准确必须进行清零。所谓的“清零 ” 并不是一定要求将积分电路中的电压置为零,也不是要求将积分电路中的电容的电量清零,而是让电路回到一个已知的、稳定的状态,这个状态必须满足两个条件:第一、积分电容电量尽量低(即可充电余量尽量大一些);第二、积分电路输出电压刚好越过比较器电路的“过零点”。条件一是为了给后续的被测信号提供足够的可充电空间(即足够的正向积分时间),条件二是为了让控制器端(即 MCU )知道状态已达到,可进行下一步的正向积分过程。 这里有三个电压的选择必须注意:一是积分电路的比较电压;二是比较器电路的比较电压;三是送入到积分电路输入端的清零电压。这三个电压的选取需综合考虑电源区间、信号区间以及电容的充放电能力等。 1.2 正向积分过程: 该过程是向积分电路送入被测信号 V1 ,由被测信号 V1 进行固定时间 T1 的正向积分。这里的积分时间必须通过电路参数的计算来选取,必须保证积分时间 T1 内未达到电容的饱和状态。 1.3 反向积分过程: 该过程是向积分电路送入已知信号 V2 ,由该信号进行反向积分,直到输出电压发生跳转时停止反向积分,通过 MCU 控制端内部计时器计出该过程总共所花的时间 T2 ,继而由 T2 、 T1 、 V2 以及 RC 计算出 V1 ,计算公式如下: ………… 1 2. 实际电路的参数计算 2.1 电路图如图 1 所示,设定 VI1 为被测信号(区间为 -2~+6V ), VI2 、 VI3 、 VI4 为双积分模数转换过程中使用的参考电压, VREF1 为积分器的参考电压,而 VREF2 为比较器的比较电压; 图 1 、双积分模数转换电路 2.2 本电路运放芯片的供电电源为± 8V ; 2.3 处理器( MCU )计数范围的计算: 2.3.1 本文以 C8051F021 为例; 2.3.2 由规格书知,该 MCU 的计时器为 16 位,则单次最大计数个数为 ,即其计数范围为 0~65536 个计数时钟。 2.3.3 如果采用 20MHZ 的外部晶振,且对其进行 12 分频,则单次计数时钟 。 2.3.4 单个计时器最大计时时间 即 39.32ms ; 2.4 由图 1 知,积分电路中的 RC 充电时间常数 由电容充放电特性及相关计算可知, C1 充电达到饱和状态所需时间 相反,如果要避免 C1 达到饱和状态,则需要控制充 / 放电时间 ; 2.5 当积分电路输入电压 VIVA1- (即 VIVREF1 )时, C1 正向充电,则此时 VA1- ↗ = VO1 ↘ 因此,为保证 VI 在其输入范围内都能使 C1 正向充电,则由 -2V VI +6V 可知, VREF1 -2V ,可取 VREF1=-2.5V ; 2.6 由积分原理可知,积分过程如下图 2 所示: 2.6.1 其中, Vom 为运放的输出极限值,由运放特性及其电源可知:± Vom ≈ ± 7V ; 2.6.2 T0 为清零过程, T1 为正向定时积分过程, T2 为反向定值积分过程 ; 2.6.3 VREF2 为比较器电路中的比较电压,依比较器特性,有: 当 VO1 VREF2 时, VO2 = - Vom = -7V ; 当 VO1 VREF2 时, VO2 = + Vom = +7V ; 2.6.4 关于积分时间 T1 和 T2 的取值限制条件有: ( 1 ) T1 + T2 Tmax (MCU 单个计时器最大计时时间 ) ; ( 2 ) EMI 考虑,一般依据电源纹波及外界干扰; ( 3 ) T1 ( 充电饱和时间 ) ,且 T2 ; ( 4 )输入电压 VI 最大值及± Vom : 必须确保输入 VI 最大值时,整个正向积分 T1 过程的电压值都落在± Vom 区间内; ( 5 )综合上述,可取 T1 = 10 ms ;则 T2 范围为: 0ms T2 29ms ; 2.6.5 关于 VREF2 的取值: (1) 由图 2 可知, VREF2 取值越大正向积分 T1 的空间越大; (2) 由双积分原理可得, 即 ……………… 2 由 -2V VI +6V 及 R1,C1,T1,-Vom , VREF1 的取值可得, VREF2 ≥ -1.333V ………………………………………… 3 (3) 综合上述,且考虑计算的方便,可取 VREF2 = +1V 2.6.6 设定待测电压为 VI1, 清零过程 T0 使用的电压为 VI3 或 VI4 ,反向定值积分过程使用的电压为 VI2 ; 2.6.7 关于清零过程 T0 : (1) 如果在进入清零阶段时 MCU 监测到的 VO2 为负电平,则说明此时的 VO1 VREF2 ,即 VO1 -2.5V 。这种情况下的清零过程如图 3 所示。在清零时间 T0 内, VO1 逐渐减小,当 VO1 减到小于 VREF2 的时刻, VO2 电平发生翻转,由此判断清零过程结束。 设送入到 VI 的电平为 VI3 , VO1 初始电压为 ,则有: VI3 VREF1 即 VI3 -2.5V……………… 4 VI4 VREF1 即 VI4 -2.5V……………… 5 ,即 ………………… 6 另外, …………………… 7