專利名稱：一種積分式a/d轉(zhuǎn)換方法及其模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)方法，特別是涉及一種積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換方法。本發(fā)明還涉及一種使用該方法的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)用于實現(xiàn)模擬(電壓或電流)信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。它廣泛用于各種數(shù)字處理場合，例如在儀器儀表領(lǐng)域，它將現(xiàn)場各種傳感器或變送器的模擬信號轉(zhuǎn)變成計算機(jī)系統(tǒng)能識別的數(shù)字信號，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場信號的監(jiān)控和處理。
目前的A/D轉(zhuǎn)換電路主要包括計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器、并行A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器等等，其中雙積分A/D轉(zhuǎn)換器是應(yīng)用較多的一種A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器具有很好的抗干擾性能，在數(shù)字電壓表和工業(yè)現(xiàn)場的慢信號數(shù)據(jù)采集中得到廣泛應(yīng)用。
雙積分A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。所謂間接A/D轉(zhuǎn)換器，是先將模擬信號電壓變換為相應(yīng)的某種形式的中間信號(如變?yōu)闀r間、頻率等)，然后再將這個中間信號變換為二進(jìn)制代碼輸出。目前，雙積分A/D轉(zhuǎn)換器一般是電壓-時間(V-T)變換型間接A/D轉(zhuǎn)換器。
圖1和圖2分別為雙積分A/D轉(zhuǎn)換器組成框圖和雙積分A/D轉(zhuǎn)換方法的原理圖。
請參看圖1，所述雙積分A/D轉(zhuǎn)換器由積分器11、過零比較器12、基準(zhǔn)電源13、時鐘14、控制邏輯電路15、以及計數(shù)器16組成。
以下結(jié)合圖2，簡要說明該A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。
如圖2所示，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換方法具體是首先，控制邏輯電路15通過積分選擇電路17，選擇待轉(zhuǎn)換模擬電壓Ui作為積分器11的輸入，積分器11對該待轉(zhuǎn)換模擬電壓Ui正向積分固定時間T(該積分時間由時鐘14計量)；然后，所述控制邏輯電路15通過積分選擇電路17，選擇基準(zhǔn)電源13輸出的已知電壓值的基準(zhǔn)電壓U1在積分器11上進(jìn)行反向積分，直到積分器11的輸出電壓為零。在進(jìn)行上述積分的同時，使用所述計數(shù)器16進(jìn)行計數(shù)。通過比較器12，可以在積分器11輸出電壓過零時產(chǎn)生高低電平的轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號控制計數(shù)器16停止計數(shù)，獲得一個計數(shù)值，采用該計數(shù)值作為A/D轉(zhuǎn)換的輸出。
如圖2所示，由于固定積分時間T是已知的，對應(yīng)兩個不同的電壓A和B，分別有正比于電壓值的反向積分時間T1和T2。采用公式Ui＝U1*T/Ti就可以計算待轉(zhuǎn)換模擬電壓的值，對應(yīng)于電壓A就是UA＝U1×T/T2；對應(yīng)于電壓B就是UB＝U1×T/T1。
通常，直接使用對所述固定時間T以及反向積分時間的計數(shù)值作為A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字值。
上述雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路響應(yīng)的是輸入信號的平均值，當(dāng)存在疊加的干擾信號時，干擾信號也是以其平均值對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，雙積分式A/D具有很好的抗干擾性能。
但是上述雙積分A/D轉(zhuǎn)換方法的轉(zhuǎn)換精度仍然不夠高，不能充分滿足要求。
首先，上述方法沒有考慮電路中零點電壓對積分過程的影響。
具體電路中，由于電路元件參數(shù)的差異，使零輸入時輸出電壓并不為零，該電壓稱為零點電壓。當(dāng)對輸入的待轉(zhuǎn)換模擬電壓進(jìn)行積分時，也同時會對該零點電壓進(jìn)行積分，這種零點電壓的存在使A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值增大。
其次，上述A/D轉(zhuǎn)換方法中，首先進(jìn)行正向積分，繼而進(jìn)行反向積分，前者是對電容充電，后者是電容放電，而電容在充放電過程中的時間常數(shù)是有差異的，這同樣影響A/D轉(zhuǎn)換的精度。
再次，現(xiàn)有技術(shù)中固定積分時間T采用計時器計量，與計數(shù)器計量的反向積分時間在計量標(biāo)準(zhǔn)上不統(tǒng)一，造成誤差。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中雙積分A/D轉(zhuǎn)換方式的缺點，本發(fā)明提供一種積分式A/D轉(zhuǎn)換方法，該方法針對現(xiàn)有技術(shù)中零點電壓以及正反向積分等導(dǎo)致轉(zhuǎn)換精度降低的缺陷，采取相應(yīng)的彌補(bǔ)措施，因而具有更高的A/D轉(zhuǎn)換精度。本發(fā)明同時提供一種使用該方法的A/D轉(zhuǎn)換電路。
本發(fā)明提供的積分式A/D轉(zhuǎn)換方法，包括11)對零點電壓V0和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb進(jìn)行雙向積分，獲得計數(shù)值T0；12)對基準(zhǔn)電壓V1和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb進(jìn)行雙向積分，獲得計數(shù)值T1；13)對待轉(zhuǎn)換電壓Vx和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb進(jìn)行雙向積分，獲得計數(shù)值Tx；14)使用公式Vx＝(V1-V0)(Tx-T0)/(T1-T0)+V0計算待轉(zhuǎn)換電壓Vx的值，將該值作為待轉(zhuǎn)換電壓Vx的A/D轉(zhuǎn)換輸出值。
優(yōu)選的，所述步驟11)包括21)對零點漂移電壓V0進(jìn)行正向定時積分，其中定時時間為固定時間Td，該定時時間Td在積分電路輸出電壓過零時開始計算；22)對零點漂移電壓V0的積分時間Td到，停止積分，開始采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb對積分器反向積分，同時計數(shù)器開始計數(shù)；23)當(dāng)積分器輸出電壓過零時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，使計數(shù)器停止計數(shù)；獲得計數(shù)值T0。
優(yōu)選的，所述步驟12)包括31)對基準(zhǔn)電壓V1進(jìn)行正向定時積分，其中定時時間為固定時間Td，該定時時間Td在積分電路輸出電壓過零時開始計算；32)對基準(zhǔn)電壓V1的積分時間Td到，停止積分，開始采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb對積分器反向積分，同時計數(shù)器開始計數(shù)；33)當(dāng)積分器輸出電壓過零時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，使計數(shù)器停止計數(shù)；獲得計數(shù)值T1。
優(yōu)選的，所述步驟13)包括41)對待轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)行正向定時積分，其中定時時間為固定時間Td，該定時時間Td在積分電路輸出電壓過零時開始計算；42)對零點漂移的積分時間Td到，停止積分，開始采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb對積分器反向積分，同時計數(shù)器開始計數(shù)；43)當(dāng)積分器輸出電壓過零時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，使計數(shù)器停止計數(shù)；獲得計數(shù)值Tx。
優(yōu)選的，所述正向積分與反向積分的積分方向相反，正向積分可以是向正電壓方向或負(fù)電壓方向積分，相應(yīng)的，反向積分就是向負(fù)電壓方向或正電壓方向積分。
優(yōu)選的，所述步驟14)后，可以直接返回步驟13)對下一個待轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，此時繼續(xù)使用步驟11)、步驟12)中獲得的T0、T1。
優(yōu)選的，根據(jù)所述待轉(zhuǎn)換電壓的電壓范圍將其分檔，對于某個待轉(zhuǎn)換電壓，以該檔電壓上限的±20％范圍內(nèi)的電壓作為基準(zhǔn)電壓V1的值。
優(yōu)選的，所述零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1的值通過事先標(biāo)定獲得。
優(yōu)選的，所述標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb是一個穩(wěn)定的直流電壓。
本發(fā)明提供的積分式A/D轉(zhuǎn)換裝置，包括控制計算單元、多路模擬信號選擇電路、電壓基準(zhǔn)電路、積分電路、比較器、直流穩(wěn)壓電路；所述控制計算單元，用于對所述積分器的積分過程進(jìn)行控制，并根據(jù)積分獲得的計數(shù)值進(jìn)行計算，獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；所述積分過程包括對零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1、待轉(zhuǎn)換電壓Vx等與標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb的雙向積分，分別獲得計數(shù)值T0、T1、Tx；所述根據(jù)計數(shù)值計算獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是利用公式Vx＝(V1-V0)(Tx-T0)/(T1-T0)+V0進(jìn)行計算；所述電壓基準(zhǔn)電路，用于提供基準(zhǔn)電壓V1；所述積分電路，用于根據(jù)所述控制計算單元的控制實現(xiàn)積分過程；包括對零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1、待轉(zhuǎn)換電壓Vx與標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb的雙向積分；所述比較器，用于接收積分電路的輸出電壓，并將該電壓與零電壓比較，當(dāng)比較器輸出發(fā)生突變時，將該突變信號作為觸發(fā)信號輸出到所述控制計算單元，用于控制雙向積分中正向積分計時的開始和反向積分計數(shù)的停止；所述直流穩(wěn)壓電路，用于獲得穩(wěn)定的直流電壓提供給上述各個單元使用，包括提供標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb用于所述雙向積分。
優(yōu)選的，所述積分式A/D轉(zhuǎn)換裝置還包括多路模擬信號選擇電路，其具有多個輸入端，用于接收多個輸入信號，包括待轉(zhuǎn)換電壓Vx、基準(zhǔn)電壓V1，其地址端用于接收地址信號，并選擇對應(yīng)于該地址信號的多個輸入端中一個連通到輸出端作為輸出信號，該輸出信號作為所述積分器的輸入。
優(yōu)選的，所述積分式A/D轉(zhuǎn)換裝置還包括行波計數(shù)器，用于接收地址信號，并將該地址信號轉(zhuǎn)化為并行的二進(jìn)制的地址信號，作為輸出到所述多路模擬信號選擇電路的地址端的地址信號。
優(yōu)選的，所述積分式A/D轉(zhuǎn)換裝置還包括光耦隔離電路，用于接收所述控制計算單元輸出的地址信號，進(jìn)行光電隔離后輸出到所述行波計數(shù)器；以及接收所述比較器輸出的觸發(fā)信號，經(jīng)過光電隔離后輸出到所述控制計算單元的輸入端。
優(yōu)選的，所述積分式A/D轉(zhuǎn)換裝置還包括程控放大電路，用于接收所述基準(zhǔn)電壓、待轉(zhuǎn)換電壓，以及接收控制計算單元輸出的放大倍數(shù)，根據(jù)所述放大倍數(shù)，將所述基準(zhǔn)電壓、待轉(zhuǎn)換電壓放大相應(yīng)的倍數(shù)后，作為到所述積分器的輸入。
優(yōu)選的，所述積分式A/D轉(zhuǎn)換裝置還包括濾波電路，用于接收所述程控放大電路輸出的所述放大后的電壓信號，并將該信號中的干擾信號過濾后，再作為所述積分器的輸入。
優(yōu)選的，所述控制計算單元為微處理器。
優(yōu)選的，所述電壓基準(zhǔn)電路包括一個精密電壓基準(zhǔn)和若干個精密電阻；精密電壓基準(zhǔn)被若干個精密電阻分壓后，產(chǎn)生若干個基準(zhǔn)電壓，所述基準(zhǔn)電壓的值為待轉(zhuǎn)換電壓的分檔的上限附近±20％的范圍內(nèi)的某個電壓。
優(yōu)選的，所述的程控放大電路包括運放、多路模擬開關(guān)和電阻；多路模擬開關(guān)和電阻配合，由控制計算單元控制構(gòu)成各種不同的放大倍數(shù)的運放。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述雙積分A/D轉(zhuǎn)換的方法的具有如下優(yōu)點1、采用了對零點電壓積分的方法測算零點電壓對積分過程的影響。
2、與普通雙積分電路不同，該電路的計數(shù)過程，均為對正向積分的過程進(jìn)行計數(shù)，排除了普通雙向積分電路正向積分計數(shù)、反向積分計數(shù)相互比較的情況；避免了正向積分、反向積分存在的差異。
3、本方法中沒有直接使用固定時間Td計算，而是使用計數(shù)值T1，由于采用共同的計量標(biāo)準(zhǔn)，使A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果更為準(zhǔn)確。
4、本方法根據(jù)待轉(zhuǎn)換電壓的值的范圍，分為不同的電壓檔，在不同的電壓檔使用接近于該檔電壓量程上限的基準(zhǔn)電壓V1，使用該基準(zhǔn)電壓V1與零點電壓V0計算待轉(zhuǎn)換電壓Vx的值，具有線性插值的效果。由于采用的A/D轉(zhuǎn)換電路具有良好的線性度，因此采用線性插值的方法可以獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換值。現(xiàn)有技術(shù)的雙向積分A/D轉(zhuǎn)換僅僅采用的基準(zhǔn)電壓U1的值測算待轉(zhuǎn)換電壓，不具有線性插值效果，其轉(zhuǎn)換值不如本方法準(zhǔn)確。
5、由于本方法采用的A/D轉(zhuǎn)換方法具有更高的原理，除了對電壓基準(zhǔn)和分壓電阻的精度和穩(wěn)定性有一定要求外，電路中其它電子器件不需要采用高精度的元件就可以實現(xiàn)較高的A/D轉(zhuǎn)換精度。與此相比，在現(xiàn)有技術(shù)下要達(dá)到相同的A/D轉(zhuǎn)換精度，必須使用精度等級更高的電子器件，而電子器件的精度等級的提高會導(dǎo)致成本的大幅度提高。因此，本發(fā)明還具有成本優(yōu)勢。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路的組成框圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路工作原理的波形示意圖；圖3為本發(fā)明第一實施例的流程圖；圖4為本發(fā)明第一實施例的A/D轉(zhuǎn)換方法的波形示意圖；圖5為本發(fā)明第一實施例的A/D轉(zhuǎn)換電路的組成框圖；圖6為本發(fā)明第一實施例的電路原理圖。
具體實施例方式
請參閱圖3，該圖為本發(fā)明第一實施例的流程圖。同時請參閱圖4，該圖為本發(fā)明第一實施例提供的A/D轉(zhuǎn)換方法的波形示意圖。
應(yīng)當(dāng)說明，以下所述的積分是在電容或其它積分元件組成的積分電路上實現(xiàn)。
步驟S301，開始。
步驟S302，對零點電壓V0進(jìn)行負(fù)電壓方向的定時積分，其中定時時間為固定時間Td。該定時時間Td在積分電壓過零時開始計算。如圖4中點A到點B。
本方法與現(xiàn)有技術(shù)的不同之處之一在于，本方法考慮了具體電路中由于存在電路參數(shù)不對稱等各種原因造成的零點電壓。在本方法中，對零點電壓進(jìn)行積分，作為對待轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)行線性插值的起點值，使這一因素對A/D轉(zhuǎn)換的影響得到考慮。本步驟就是對零點電壓V0進(jìn)行積分，以便計算其影響。所述零點電壓V0是積分電路前的各電路產(chǎn)生的零點偏移。所述零點電壓V0的值屬于具體電路的參數(shù)，對具體電路可以通過標(biāo)定獲得。
本實施例中，將向負(fù)電壓方向積分作為雙向積分的正向積分，相應(yīng)的，向正電壓方向積分作為雙向積分的負(fù)向積分。具體而言，本實施例中進(jìn)行的所有雙向積分過程，都是采用首先向負(fù)電壓方向積分，然后采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb向正電壓方向積分的方法進(jìn)行雙向積分。實際上，也可以采用向正電壓方向積分，然后采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb向負(fù)電壓方向積分的方法進(jìn)行雙向積分，此時下述各步驟中的向正電壓方向積分則是向負(fù)電壓方向積分。
步驟S303，積分時間Td到達(dá)后(圖4中B點)，停止對零點電壓V0積分。
步驟S304，開始使用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb進(jìn)行正電壓方向的積分，并開始計數(shù)。如圖4中點B到點C。
所述標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb是一個電壓值穩(wěn)定的電壓信號，本方法中使用該信號作為計量電壓，對進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換中需要涉及的零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1以及待轉(zhuǎn)換電壓Vx，全部是先向負(fù)電壓方向積分固定時間Td，再使用該標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb正向積分，同時開始計數(shù)，當(dāng)達(dá)到過零點時停止計數(shù)，獲得一個計數(shù)值。采用這種方法獲得的計數(shù)值由于采用同一標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb，并且是采用同樣方向的積分過程，因此具有良好的一致性。
在本實施例中，所述標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb是一個由直流穩(wěn)壓電源提供的穩(wěn)定的負(fù)電壓。
步驟S305，當(dāng)積分器輸出電壓過零時(如圖4中點C)，產(chǎn)生觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號使計數(shù)器停止計數(shù)。記錄該計數(shù)值T0。同時，積分過程繼續(xù)進(jìn)行若干時間。
在本方法中采用過零點作為計時的起點或計數(shù)的終點，這樣可以保證A/D轉(zhuǎn)換過程的各個階段具有相同的起點和終點。在實際電路中，該過零點可以采用比較器準(zhǔn)確的獲得。如圖4所示，與C點對應(yīng)，比較器輸出電壓在C點具有階躍突變，使用該階躍信號作為觸發(fā)信號控制計數(shù)器停止計數(shù)。以下各步驟中，過零點信號的獲得都是采用相應(yīng)的階躍信號作為觸發(fā)信號。
從步驟S302開始，到本步驟中積分到過零點，完成了一個完整的雙積分過程，在本實施例中該雙積分過程進(jìn)行三次，即分別對零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1、待轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)行雙積分。
本步驟中所述的積分繼續(xù)進(jìn)行若干時間的目的是將積分電壓達(dá)到正值，以便后續(xù)步驟可以產(chǎn)生過零信號作為定時器開始計時的基準(zhǔn)點。
步驟S306，停止對標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb的積分過程，開始對基準(zhǔn)電壓V1進(jìn)行負(fù)電壓方向定時積分(圖4中D點)，定時時間同樣為Td。開始計時的標(biāo)志是積分器輸出電壓過零時(圖4中E點)產(chǎn)生的觸發(fā)信號。
所述基準(zhǔn)電壓V1是一個電壓值已知并且穩(wěn)定的電壓信號，該信號被用作計算待轉(zhuǎn)換電壓Vx的基準(zhǔn)信號。考慮到后續(xù)計算的準(zhǔn)確性的要求，該基準(zhǔn)電壓V1的取值為待轉(zhuǎn)換電壓Vx所在電壓檔的上限附近，以便與前述零點電壓V0的計數(shù)值相配合，獲得線性插值的效果。該基準(zhǔn)電壓V1取值的理想范圍是所在電壓檔上限的±20％范圍內(nèi)。
步驟S307，計時時間達(dá)到所述固定時間Td(圖4中F點)，停止對基準(zhǔn)電壓積分。
步驟S308，開始使用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb進(jìn)行正電壓方向的積分，同時計數(shù)器計數(shù)(圖4中F點到G點)。
步驟S309，當(dāng)積分器輸出電壓過零時(圖4中G點)，產(chǎn)生觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號使計數(shù)器停止計數(shù)。記錄該計數(shù)值T1。同時，積分過程繼續(xù)進(jìn)行若干時間。
上述步驟S306到步驟S309的用于獲得所述計數(shù)值T1。該計數(shù)值T1將被用于A/D轉(zhuǎn)換的計算中。
現(xiàn)有技術(shù)中，直接依據(jù)固定時間Td進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換計算，但是由于固定時間Td與通過計數(shù)獲得的時間T1或T2的測算標(biāo)準(zhǔn)不同，計算獲得的轉(zhuǎn)換結(jié)果也不準(zhǔn)確。
本發(fā)明提供的A/D轉(zhuǎn)換方法與現(xiàn)有技術(shù)的不同之處在于，該方法用與獲得待轉(zhuǎn)換電壓的計數(shù)值同樣的方法，獲得基準(zhǔn)電壓V1的計數(shù)值，由于采用的方法相同，最終A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果也就更加準(zhǔn)確。
本步驟中過零點后，積分過程繼續(xù)若干時間的目的與步驟S305相同。
步驟S310，如圖4中H點，開始對待轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)行負(fù)電壓方向定時積分。積分器輸出電壓過零時(圖4中I點)，計時開始。
步驟S311，計時時間達(dá)到所述固定時間Td(圖4中J點)，停止對待轉(zhuǎn)換電壓Vx積分。
步驟S312，使用所述標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb開始對積分器進(jìn)行正電壓方向積分(圖4中J點至K點)，同時計數(shù)器開始計數(shù)。
步驟S313，當(dāng)積分器輸出電壓過零時(圖4中K點)，產(chǎn)生觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號使計數(shù)器停止計數(shù)。記錄該計數(shù)值TX。同時，積分過程繼續(xù)進(jìn)行若干時間。
步驟S314，根據(jù)公式計算Vx，該計算值即可作為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。
所述公式為Vx＝(V1-V0)(TX-T0)/(T1-T0)+V0與現(xiàn)有技術(shù)相比，該公式考慮了零點電壓T0的影響，在公式中將該影響消除。同時該公式中沒有直接采用基準(zhǔn)電壓V1積分的固定時間Td計算待轉(zhuǎn)換電壓Vx的值，而是使用與Tx同樣方法獲得的基準(zhǔn)電壓V1的計數(shù)值T1計算待轉(zhuǎn)換電壓Vx，使結(jié)果更為準(zhǔn)確。
該公式的實質(zhì)是在V0與V1間進(jìn)行線性插值，獲得待轉(zhuǎn)換電壓Vx的計算值作為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。由于基準(zhǔn)電壓V1選擇在待轉(zhuǎn)換電壓Vx所在電壓檔的上限附近，而采用本發(fā)明所述A/D轉(zhuǎn)換方法的電路具有很好的線性度，因此用線性插值方法計算Vx可獲得很高的精度。
步驟S315，判斷是否還有下一個待轉(zhuǎn)換電壓；若是，則返回步驟S310(如圖4中L點至O點)；若否，則進(jìn)入步驟S316。
由于對于同一檔的待轉(zhuǎn)換電壓，V0、V1的值是一樣的，因此，可以不再進(jìn)行對V0、V1的雙向積分，直接用已經(jīng)獲得的T0、T1值進(jìn)行后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換。
步驟S316，結(jié)束。
請參閱圖5。圖5為本發(fā)明第一實施例的A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖。該A/D轉(zhuǎn)換器用于實現(xiàn)上述A/D轉(zhuǎn)換方法。
所述的控制計算單元51為本A/D轉(zhuǎn)換器的核心控制器件，用于對積分過程進(jìn)行控制，以及根據(jù)計數(shù)值進(jìn)行計算，獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。包括通過I/O口線發(fā)送命令，輪流選擇零點、基準(zhǔn)電壓、以及各路待轉(zhuǎn)換電壓信號進(jìn)入積分電路，控制積分過程，通過計數(shù)器計數(shù)獲得計數(shù)值，以及最終進(jìn)行計算，獲得A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果并輸出。
光耦隔離電路52，用于接收控制計算單元51發(fā)送的數(shù)字信號，進(jìn)行光電隔離后輸出到行波計數(shù)器53；以及將比較器59輸出的電平信號經(jīng)過光電隔離輸出到所述控制計算單元51。該電路用于實現(xiàn)光電隔離，增強(qiáng)本A/D轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力。
行波計數(shù)器53用于接收所述控制計算單元51發(fā)送的選擇信息，并用二進(jìn)制碼在輸出引腳上表示。所述控制計算單元51發(fā)送的選擇信息包括輸出到多路模擬信號選擇電路54的地址信號，以及輸出到程控放大電路56的放大倍數(shù)信號。此外，所述控制計算單元51可以發(fā)出的觸發(fā)信號對該行波計數(shù)器53清零。由于控制計算單元51輸出的地址信號是串行的信號，而后敘的多路模擬信號選擇電路54的地址端需要接收并行二進(jìn)制地址信號，因此，需要由該行波計數(shù)器53進(jìn)行地址變換。
所述的多路模擬信號選擇電路54為多通道模擬開關(guān)，具有多個輸入端，每個輸入端與一路電信號相連接；該多路模擬信號選擇電路還具有地址端，用于接收所述行波計數(shù)器輸出的地址信號。該電路根據(jù)所述地址端的地址信號選擇對應(yīng)的輸入端開通，使該輸入端的輸入電信號作為該電路的輸出信號。所述電路的各個輸入端輸入的電信號包括對應(yīng)于不同電壓范圍的待轉(zhuǎn)換電壓Vx、基準(zhǔn)電壓V1等電壓信號。
所述的程控放大電路56用于接收所述多路模擬信號選擇電路54輸出的電壓信號，并接收所述行波計數(shù)器輸出的放大倍數(shù)信號，該程控放大電路56根據(jù)所述放大倍數(shù)信號的數(shù)值對接收的所述電壓信號進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大，并將經(jīng)過放大后的電壓信號輸出。
所述的電壓基準(zhǔn)電路55用于產(chǎn)生電壓基準(zhǔn)信號V1。所述電壓基準(zhǔn)信號V1根據(jù)待轉(zhuǎn)換電壓Vx的各個檔，產(chǎn)生接近該檔輸入電壓信號上限的電壓基準(zhǔn)信號V1。所述電壓基準(zhǔn)信號V1輸出到所述多路模擬信號選擇電路54的一個輸入端。
所述濾波電路57用于接收所述程控放大電路56輸出的電壓信號，將電壓信號中的干擾信號過濾后輸出。
所述積分電路58接收所述濾波電路輸出的電壓信號，以及控制計算單元51的控制指令，根據(jù)所述控制指令對所述電壓信號進(jìn)行積分，獲得的積分信號輸出。
所述比較器59用于接收所述積分信號，并將所述積分信號與零點電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生高低電平信號作為所述的過零信號，該信號通過所述光電隔離電路52輸出到控制計算單元51，通過中斷方式，控制計數(shù)器工作的起停。
所述的直流穩(wěn)壓電路510用于為行波計數(shù)器53、多路模擬信號選擇電路54、電壓基準(zhǔn)電路55、程控放大電路56、濾波電路57、積分電路58和比較器59提供穩(wěn)定的隔離電壓，包括積分過程中使用的標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb。
該電路中可以在控制計算單元51的程序控制下，實現(xiàn)本實施例的A/D轉(zhuǎn)換方法。具體工作過程是所述控制計算單元51分別選擇所述經(jīng)過放大和濾波后的零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1、待轉(zhuǎn)換模擬電壓信號Vx負(fù)電壓方向定時積分，然后對標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb信號向正電壓方向積分。積分電路輸出的連續(xù)變化的積分信號經(jīng)比較器59與零點電壓比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高低電平信號，通過光電隔離電路52隔離后輸出到控制計算單元51，從而控制計時器計時的開始以及計數(shù)器計數(shù)的結(jié)束。最后，獲得的對應(yīng)于各電壓的計數(shù)值T0、T1、Tx，使用公式Vx＝(V1-V0)(TX-T0)/(T1-T0)+V0計算Vx的值，將該值作為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。
從圖4可知，比較器輸出電平發(fā)生高低電平的突變時，就是所述的過零點。該突變的高低電平就可以作為觸發(fā)信號，控制計時器開始計時，以及計數(shù)器停止計數(shù)。
請參閱圖6，該圖為本發(fā)明第一實施例電路原理圖。該電路是實現(xiàn)圖5的A/D轉(zhuǎn)換器的一種電路。本說明書對該具體電路僅作簡略的說明。
所述控制計算單元51可以采用各種微處理器實現(xiàn)，例如采用MCS-51系列單片機(jī)89C2051(圖6中U1)，根據(jù)實際使用時的不同情況，也可以使用其它型號的微處理器。
光耦隔離電路52由低速光耦U2、U3和限流電阻R1～R6組成。其中，光耦U2用于接收單片機(jī)U1輸出的地址信號，并將其光電隔離后輸出到行波計數(shù)器；光耦U3用于接收比較器輸出的比較電平，將其光電隔離后輸出到單片機(jī)U1。
行波計數(shù)器53(圖6中U4)的輸入端連接所述光耦U2的輸出端，用于接收光耦U2輸出的地址信號，其輸出端連接多路模擬信號選擇電路(圖6中U5、U6)的地址端。
多路模擬信號選擇電路54(圖6中U5)為多通道模擬傳輸器，其具有多個輸入端，分別連接著零點電壓、基準(zhǔn)電壓和多個輸入信號，其中不同輸入端連接的待轉(zhuǎn)換電壓號可能處于不同的電壓檔。根據(jù)其地址端獲得的所述地址信號，選擇相應(yīng)的輸入端與輸出端連通。在所述控制計算單元51輸出的地址信號(經(jīng)過光耦的隔離，以及通過行波計數(shù)器轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿械亩M(jìn)制信息)控制下，在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)選擇適當(dāng)?shù)男盘栞敵?，使本實施例的積分過程得以實現(xiàn)。
電壓基準(zhǔn)電路55(圖6中U8)采用功耗小，且穩(wěn)定性好的精密電壓基準(zhǔn)，同時，使用若干個低溫漂系數(shù)、同材料的精密電阻(圖6中R16、R17、R18)進(jìn)行分壓，即可獲得若干檔穩(wěn)定性好的精密基準(zhǔn)電壓。該電壓基準(zhǔn)電路輸出到U5的一個輸入端，通過U5在適當(dāng)?shù)臅r候向積分電路提供基準(zhǔn)電壓。
程控放大電路56包括多組2通道模擬傳輸器(圖6中U6)、若干個電阻(圖6中R8、R9、R10)和運放(圖6中U7A)，通過控制U6的通道控制端A、B的狀態(tài)，可構(gòu)成一個有多檔放大倍數(shù)的程控放大電路。
濾波電路57由運放U7D、電阻R13和電容C4組成。
積分電路58由運放U7B、電阻R14和電容C5構(gòu)成。其中電容C5為積分元件。
比較器為運放U7C，其輸出端輸出比較電平。所述比較電平用于獲得計時器定時開始、以及計數(shù)器計數(shù)結(jié)束的觸發(fā)信號，也就是進(jìn)行過零點檢測。
為減少空間和節(jié)約成本，程控放大電路、濾波電路、積分電路和比較器也可共用一個運放。
DC/DC電路58由起振電路、變壓器和外圍整流、濾波和穩(wěn)壓電路構(gòu)成。
該電路中，MCS-51系列單片機(jī)控制計算單元有2個定時/計數(shù)器，所以同時可控制2個上述的電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。
上述電路作為圖5的結(jié)構(gòu)框圖的具體電路，能夠很好的完成本實施例的A/D轉(zhuǎn)換功能。應(yīng)當(dāng)說明，也可以采用其它多種不同的器件以及連接方式實現(xiàn)本實施例提出的A/D轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于該具體電路。
本發(fā)明實施例雖然僅僅說明對電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的情況，但是，本發(fā)明提出的技術(shù)方案也可以方便的用于電流等其它需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的信號。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種積分式A/D轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，包括11)對零點電壓V0和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb進(jìn)行雙向積分，獲得計數(shù)值T0；12)對基準(zhǔn)電壓V1和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb進(jìn)行雙向積分，獲得計數(shù)值T1；13)對待轉(zhuǎn)換電壓Vx和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb進(jìn)行雙向積分，獲得計數(shù)值Tx；14)使用公式Vx＝(V1-V0)(Tx-T0)/(T1-T0)+V0計算待轉(zhuǎn)換電壓Vx的值，將該值作為待轉(zhuǎn)換電壓Vx的A/D轉(zhuǎn)換輸出值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟11)包括21)對零點漂移電壓V0進(jìn)行正向定時積分，其中定時時間為固定時間Td，該定時時間Td在積分電路輸出電壓過零時開始計算；22)對零點漂移電壓V0的積分時間Td到，停止積分，開始采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb對積分器反向積分，同時計數(shù)器開始計數(shù)；23)當(dāng)積分器輸出電壓過零時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，使計數(shù)器停止計數(shù)；獲得計數(shù)值T0。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟12)包括31)對基準(zhǔn)電壓V1進(jìn)行正向定時積分，其中定時時間為固定時間Td，該定時時間Td在積分電路輸出電壓過零時開始計算；32)對基準(zhǔn)電壓V1的積分時間Td到，停止積分，開始采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb對積分器反向積分，同時計數(shù)器開始計數(shù)；33)當(dāng)積分器輸出電壓過零時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，使計數(shù)器停止計數(shù)；獲得計數(shù)值T1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟13)包括41)對待轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)行正向定時積分，其中定時時間為固定時間Td，該定時時間Td在積分電路輸出電壓過零時開始計算；42)對零點漂移的積分時間Td到，停止積分，開始采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb對積分器反向積分，同時計數(shù)器開始計數(shù)；43)當(dāng)積分器輸出電壓過零時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，使計數(shù)器停止計數(shù)；獲得計數(shù)值Tx。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述正向積分與反向積分的積分方向相反，正向積分可以是向正電壓方向或負(fù)電壓方向積分，相應(yīng)的，反向積分就是向負(fù)電壓方向或正電壓方向積分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟14)后，可以直接返回步驟13)對下一個待轉(zhuǎn)換電壓Vx進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，此時繼續(xù)使用步驟11)、步驟12)中獲得的T0、T1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述待轉(zhuǎn)換電壓的電壓范圍將其分檔，對于某個待轉(zhuǎn)換電壓，以該檔電壓上限的±20％范圍內(nèi)的電壓作為基準(zhǔn)電壓V1的值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的方法，其特征在于，所述零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1的值通過事先標(biāo)定獲得。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb是一個穩(wěn)定的直流電壓。
10.一種積分式A/D轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，包括控制計算單元、多路模擬信號選擇電路、電壓基準(zhǔn)電路、積分電路、比較器、直流穩(wěn)壓電路；所述控制計算單元，用于對所述積分器的積分過程進(jìn)行控制，并根據(jù)積分獲得的計數(shù)值進(jìn)行計算，獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；所述積分過程包括對零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1、待轉(zhuǎn)換電壓Vx等與標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb的雙向積分，分別獲得計數(shù)值T0、T1、Tx；所述根據(jù)計數(shù)值計算獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是利用公式Vx＝(V1-V0)(Tx-T0)/(T1-T0)+V0進(jìn)行計算；所述電壓基準(zhǔn)電路，用于提供基準(zhǔn)電壓V1；所述積分電路，用于根據(jù)所述控制計算單元的控制實現(xiàn)積分過程；包括對零點電壓V0、基準(zhǔn)電壓V1、待轉(zhuǎn)換電壓Vx與標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb的雙向積分；所述比較器，用于接收積分電路的輸出電壓，并將該電壓與零電壓比較，當(dāng)比較器輸出發(fā)生突變時，將該突變信號作為觸發(fā)信號輸出到所述控制計算單元，用于控制雙向積分中正向積分計時的開始和反向積分計數(shù)的停止；所述直流穩(wěn)壓電路，用于獲得穩(wěn)定的直流電壓提供給上述各個單元使用，包括提供標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb用于所述雙向積分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括多路模擬信號選擇電路，其具有多個輸入端，用于接收多個輸入信號，包括待轉(zhuǎn)換電壓Vx、基準(zhǔn)電壓V1，其地址端用于接收地址信號，并選擇對應(yīng)于該地址信號的多個輸入端中一個連通到輸出端作為輸出信號，該輸出信號作為所述積分器的輸入。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，還包括行波計數(shù)器，用于接收地址信號，并將該地址信號轉(zhuǎn)化為并行的二進(jìn)制的地址信號，作為輸出到所述多路模擬信號選擇電路的地址端的地址信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，還包括光耦隔離電路，用于接收所述控制計算單元輸出的地址信號，進(jìn)行光電隔離后輸出到所述行波計數(shù)器；以及接收所述比較器輸出的觸發(fā)信號，經(jīng)過光電隔離后輸出到所述控制計算單元的輸入端。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，還包括程控放大電路，用于接收所述基準(zhǔn)電壓、待轉(zhuǎn)換電壓，以及接收控制計算單元輸出的放大倍數(shù)，根據(jù)所述放大倍數(shù)，將所述基準(zhǔn)電壓、待轉(zhuǎn)換電壓放大相應(yīng)的倍數(shù)后，作為到所述積分器的輸入。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，還包括濾波電路，用于接收所述程控放大電路輸出的所述放大后的電壓信號，并將該信號中的干擾信號過濾后，再作為所述積分器的輸入。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述控制計算單元為微處理器。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述電壓基準(zhǔn)電路包括一個精密電壓基準(zhǔn)和若干個精密電阻；精密電壓基準(zhǔn)被若干個精密電阻分壓后，產(chǎn)生若干個基準(zhǔn)電壓，所述基準(zhǔn)電壓的值為待轉(zhuǎn)換電壓的分檔的上限附近±20％的范圍內(nèi)的某個電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述的程控放大電路包括運放、多路模擬開關(guān)和電阻；多路模擬開關(guān)和電阻配合，由控制計算單元控制構(gòu)成各種不同的放大倍數(shù)的運放。
全文摘要
一種積分式A/D轉(zhuǎn)換方法，包括11)對零點電壓V0和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb雙向積分，獲得計數(shù)值T0；12)對基準(zhǔn)電壓V1和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb雙向積分，獲得計數(shù)值T1；13)對待轉(zhuǎn)換電壓Vx和標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb雙向積分，獲得計數(shù)值Tx；14)使用公式Vx＝(V1－V0)(Tx－T0)/(T1－T0)+V0計算待轉(zhuǎn)換電壓Vx的值。上述步驟中的雙向積分包括下述步驟1)對V0或V1或Vx進(jìn)行正向定時積分，定時時間為積分電路輸出電壓過零時開始計算的固定時間Td；2)積分時間Td到，停止積分，開始采用標(biāo)準(zhǔn)電壓Vb對積分器反向積分，同時計數(shù)器開始計數(shù)；3)當(dāng)積分器輸出電壓過零時，產(chǎn)生觸發(fā)信號，使計數(shù)器停止計數(shù)；對應(yīng)于電壓V0、V1或Vx分別獲得計數(shù)值T0、T1或Tx。本發(fā)明還公開實現(xiàn)上述方法的A/D轉(zhuǎn)換裝置。
文檔編號H03M1/50GK1822506SQ20061000745
公開日2006年8月23日 申請日期2006年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月10日
發(fā)明者袁劍蓉, 金建祥, 張渝暉 申請人:中控科技集團(tuán)有限公司, 浙江大學(xué)