原创 运用于温度传感器的双积分模数转换电路计算（上）

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VI>VA1-（即VI>VREF1）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