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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         

  运用于温度传感器的双积分模数转换电路计算（下）   （2） 如果在进入清零阶段时 MCU 监测到的 VO2 为正电平，则说明此时 VO1 VREF2 ，清零过程如图 4 所示。在清零时间 T0 内，需先送入可使 VO1 进行反向积分的电平 VI4 ，同时监测 VO2 ，经过时间 TO1 后， VO2 电平由高翻转为低。继续送入 VI4 ，经过时间 T02 后，切换送入 VI3 ，使 VO1 进行正向积分，经过时间 TO3 后， VO2 电平再次发生翻转，此时，清零阶段结束。清零时间 TO = T01 + T02 + T03   A、 设 VO1 初始电压为 ，则有 ，即 …………………… 8 …………… 9   ………… 10 …… 11   ………………………………… 12   B、 上述 8、 9、 10 、11 式也可整合为： 即 ………………… 13   （3） 为方便 MCU 进行控制，可将 (1) 、 (2) 整合起来，如下图 5 所示，虚线部分表示当 处在± Vom 区间内的不同情况。不管 ，我们都可以送入 VI4 ，使其进行反向积分，当 V01 上升到最大值，即 V01=+ Vom 后， V01 将保持 + Vom 不变，除非将 VI 电平由 VI4 切换为 VI3 。   由此，我们可以将（ 1 ）、（ 2 ）整合并简化为：在 T01+T02 时间内，往 VI 送入反向积分电压 VI4 ，使 VO1 上升至 + Vom ；接下来在 T03 时间内，往 VI 送入正向积分电压 VI3 ，使 VO1 下降到 VREF2 ， MCU 控制端只需在 T01+T02 时间后监测 VO2 是否由低电平翻转为高电平即可知道是否已结束清零阶段。这个过程中有如下几点需注意： A、 为保证在 T01+T02 时间内，各种情况下的 VO1 都能变为 + Vom ，必须符合下式 ┄┄┄┄┄┄ 14 B、 在这种情况下， T03 在每个清零过程中都是固定的，在已知 VREF1 、 VREF2 、± Vom 、 VI3 时，可通过下式计算出 T03 ： ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 15     C、 依 4 、 5 式可取 VI4 = -8V ， VI3 = 5V 则由 14 、 15 可得： ，可取 ； ； D、 综上可得，清零过程总时间   （4）   通过优化电路为下图 6 所示，清零过程将变得更加方便快捷。分析如下： 图 6 、线路设计优化       A、   该电路的主要组成与上述的电路没有差异，唯一点不同的就是在 C1 两端增加了逻辑开关 K1 ，该开关可以通过 MCU 进行实时控制； B、 在清零开始时，通过 MCU 控制 K1 导通，由于 K1 阻抗非常小（通常小于 100 Ω ），因此 C1 电容将很快进入平衡状态。此时， A1 呈负反馈状态，且构成了射随器电路，电路稳定后的输出电压 VO1 = VREF1 ； C、 设 K1 导通阻抗为 R ， VO1 在上电初始的值为 ，则有 即   D、   实际运用中可控制 MCU 导通时间 即可； E、 开关导通 T01 时间后，由 MCU 控制断开 K1 ，同时往 VI 送入电压 VI4 使电容 C1 进行反向积分，经过时间 T02 后，输出电压 VO1 =VREF2 ，且有   代入各值可求得 T02 = 5.83ms 即 MCU 需控制往 VI 送入电压 VI4 的时间为 5.83ms ，至此，清零阶段结束；   F、 上述中的 T02 不容易准确的控制，电路中的 R1 、 C1 的不同也会影响 T02 的取值，这样会降低测量的准确性。因此，为了更准确的测量，我们可以参考本节第（ 2 ）点所述的清零办法，将 T02 分成两个阶段，第一个阶段是使 VO1 VREF2 ，第二个阶段是使 VO1 通过正向积分降到 VREF2 ，这样就可以通过 VO2 实时监测电路的最新状态。   2.6.8   关于正向积分过程 T1 ： 该过程由 MCU 控制向 VI 送入待测电压 VI1 ，同时 MCU 计时器开始计时，经过 T1 时间后， VO1 输出电压 即 …………………………… 16   2.6.9   关于反向积分过程及 VI2 的取值： 该过程由 MCU 控制向 VI 送入反向积分电压 VI2 ，同时监测 VO2 ，当 VO2 电平发生翻转时，计时器停止计时，计时器计时时间 …………………………………… 17 此时， VO1 输出电压 即 …………………………… 18   为满足 T2 29ms 的要求（由上述 2.6.4 推导），则当 T2 = 29ms 时，有 …………… 19   由 16 、 18 式可得： ……… 20   联合 17 、 20 式可求得 VI1   2.6.10   以上计算仅供参考，运用到实际电路时需依实际情况和需求进行各参数的选取； 2.6.11   如图 1 所示的 R4\R5 与 A2 可构成迟滞比较器，本文中仅使用基本的比较器电路，因此 R5 处留空。实际使用中可按要求配置成迟滞比较器。

          今天一时兴起用7135+74ls247搭了个4位半的电压表表头，电路图如下。         ICL7135是经典4位半表头，（正负20000次积分），非常好用的AD，精度挺高的。采取自动转换输出，每一个边沿就会出BCD码，接在单片机也很好用。74LS247是BCD转7断码译码器。       找了个电位器测电压，很是准确，飘了2个LSB左右。突然想起了，实验室上次做东西剩余的一个3位半的电压表表头（据说才10+，一个7135的价格），带着好奇心就拆开了表头，哇……里面就一个芯片7107，做的非常简单。        在网上找了7107的经典图片，和表头上对比下，真是一摸一样。哈哈，真是厉害一个表头能做到一片7135的价格，很是佩服。