電子測量大作業(yè)4-19題

1、電子測量技術(shù)大作業(yè) 電子測量技術(shù)大作業(yè)班 級: 學(xué) 號: 姓 名: 專 業(yè): 指導(dǎo)老師: 二零一三年十二月16第一題：一研究題目：4-19：在Multisim環(huán)境下，設(shè)計一種多斜積分式DVM，給出原理圖和仿真實驗結(jié)果。二積分型A/D轉(zhuǎn)換電路2.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換電路雙積分型ADC是1種VT型A/D轉(zhuǎn)換器，原理電路如圖12.2.2-1(a)所示，由積分器、比較器、計數(shù)器和部分控制電路組成。工作過程如下：（1）平時（即A/D轉(zhuǎn)換之前），轉(zhuǎn)換控制信號vC=0，計數(shù)器和觸發(fā)器FFc被清零，門G1、G2輸出低電平，開關(guān)S0閉合使電容C完全放電，S1擲下方，比較器輸出vB=0，門G3關(guān)閉。（2）vC=

2、1時，開關(guān)S0斷開，開關(guān)S1擲上方接輸入信號VI，積分器開始對VI積分，輸出電壓為 (2.1)顯然vO是1條負(fù)向積分直線，如圖12.2.2-1(b)中t=0T1段實線所示。與此同時，比較器輸出vB=1（因vO<0），門G3開啟，計數(shù)器開始計數(shù)。（3）當(dāng)積分到t=T1=2nTcp時（其中Tcp是時鐘CP的周期），n位計數(shù)器計滿2n復(fù)0，F(xiàn)Fc置1，門G2輸出高電平，開關(guān)S1擲下方接基準(zhǔn)電壓（VREF），積分器開始對（VREF）進(jìn)行積分。設(shè)t=T1時，vO下降到vO=VO1，由式（3.1） （2.2） 圖2.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(a) 原理電路 (b)輸出電壓波形 因為（VREF）為負(fù)值

3、，所以從V01開始向相反方向積分，即 （2.3）vO波形如圖3.5(b)中t=T1（T1+T2）段實線所示。 （4）當(dāng)t=T1+T2時，vO上升到vO=0V，vB=0，門G3被關(guān)閉，計數(shù)器停止計數(shù)，此時計數(shù)器中保存下來的數(shù)字就是時間T2。由圖可知，輸入信號VI越大，|VO1|越大，T2就越大。將式（3.2）、t=T1+T2和vO=0V代入式（3.3）中，得 （2.4）從而有 （2.5）顯然，計數(shù)器中的數(shù)字dn-1dn-2d1d0與輸入信號VI成正比。例如當(dāng)設(shè)10位雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓VREF=8V，時鐘頻率fcp=1MHz，請問輸入電壓VI=2V時=0100000000B2.2三斜積

4、分式AD轉(zhuǎn)換器圖2.2 三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器的原理圖圖2.2是一個三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由基準(zhǔn)電壓-VREF、 、積分器、比較器和由單片機(jī)構(gòu)成的計數(shù)控制電路組成。轉(zhuǎn)換開始前，先將計數(shù)器清零，并接通S0使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開始，斷開S0。整個轉(zhuǎn)換過程分三步進(jìn)行：首先，令開關(guān)S1置于輸入信號Ui一側(cè)。積分器對Ui進(jìn)行固定時間T1的積分。積分結(jié)束時積分器的輸出電壓為：可見積分器的輸出電壓與Ui成正比。這一過程也稱為轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓Ui的采樣過程。圖2.3三斜積分式AD轉(zhuǎn)換波形圖在采樣開始時，邏輯控制電路將計數(shù)門打開，計數(shù)器對周期為Tc的計數(shù)脈沖CP計數(shù)。當(dāng)計數(shù)器達(dá)到滿量程N1，此時

5、計數(shù)器由全“1”恢復(fù)為全“0”，這個時間正好等于固定的積分時間T1， 。計數(shù)器復(fù)“0”時，同時給出一個溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號，令開關(guān)S1轉(zhuǎn)換至參考電壓-VREF一側(cè)，采樣階段結(jié)束。三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波形是將雙積分式A/D的反向積分階段T2分為圖4所示的T21、T22兩部分。在T21期間，積分器對基準(zhǔn)電壓-VREF進(jìn)行積分，放電速度較快；在T22期間積分器改為對較小的基準(zhǔn)電壓 進(jìn)行積分,放電速度較慢。在計數(shù)時,把計數(shù)器也分為兩段進(jìn)行計數(shù)。在T21期間,從計數(shù)器的高位(2m位)開始計數(shù)，設(shè)其計數(shù)值為N1；在T22期間，從計數(shù)器的低位（20位）開始計數(shù)，設(shè)其計數(shù)值為N2

6、。則計數(shù)器中最后的讀數(shù)為:N= N1×2n+N2 (2.6)在一次測量過程中，積分器上電容器的充電電荷與放電電荷是平衡的，則|Ux|T1=Vref×T21+(VREF2n)T22 (2.7)其中: T21=N1Tc T22=N2Tc 將上式進(jìn)一步整理，可得三斜式積分式A/D轉(zhuǎn)化器的基本關(guān)系式為 Vx=K×N1+N2K×N1Vref (2.8) 本設(shè)計中，取m=8，時鐘脈沖周期Tc=120us，基準(zhǔn)電壓VREF=5V，并希望把2V被測電壓變換成N=65536碼讀數(shù)時，由上式可以計算出T1=76.8ms，而傳統(tǒng)的雙積分式AD轉(zhuǎn)換器在相同的條件下所需的積分時間

7、T1=307.2s,可見三斜積分式AD轉(zhuǎn)換器可以使轉(zhuǎn)換速度大幅度提高。2.3多斜式積分AD轉(zhuǎn)換電路多斜分式ADC如圖3-1所示。面簡單介紹三重積分式ADC的工作原理。它的特點是比較期由兩段斜坡組成，當(dāng)積分器輸出電壓接近0點時，突然換接數(shù)值較小的基準(zhǔn)電壓，從而降低了積分器輸出電壓的斜率，延長積分器回0的時間，使比較周期延長以獲得更多的計數(shù)值，從而提高了分辨率。而積分器在輸出電壓較高時，接入數(shù)值較大的基準(zhǔn)電壓，積分速度快，因而轉(zhuǎn)換速度也快。圖2.4 多積分A/D轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)中有兩個比較器，比較器1的比較電平為0電平，比較器2的比較電平為V，同時有兩個基準(zhǔn)電壓Er和Er/2m。工作過程如下：采樣期：

8、Sx接通，Spb、Sps斷開，積分器對被測電壓Vi積分，積分周期恒定為T1；比較期I：Spb接通，Sx、Sps斷開，積分器對極性與Vi相反的基準(zhǔn)電壓Er進(jìn)行積分，由于Er數(shù)值較大，故積分速度較快，積分周期為T21；比較期：當(dāng)積分器輸出達(dá)到比較器2的比較電平V時，通過控制電路使開關(guān)Sps接通，Spb、Sx斷開，積分器對Er/2m積分。由于基準(zhǔn)電壓減小，因而積分速度按比例降低。當(dāng)積分器輸出電壓達(dá)到零伏時，比較器1動作，通過控制電路使所有開關(guān)斷開，積分器停止積分，一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。因為多積分式A/D轉(zhuǎn)換器要比單積分或雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的運算快而且準(zhǔn)確，固采用多積分式A/D轉(zhuǎn)換器。圖2.5多積分A/

9、D轉(zhuǎn)換器的特性三模擬仿真本題目要求同用到多斜式積分ADC設(shè)計DVM，我們除了要求做到模擬ADC的仿真，也要考慮到不同的量程，首先從兩級積分型ADC開始研究，逐層深入，最后達(dá)到目的。3.1雙積分型ADC3.1.1外部電路研究：Multisim中有一個通用的ADC轉(zhuǎn)換器，對此芯片進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)它的大致原理正是基于雙積分型ADC的思想，我們可以用其進(jìn)行模擬分析驗證。圖3.1 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器multisim仿真我給出Vref=5V，D=2nVVREF其中輸出數(shù)字量位數(shù)2n=255，D=255VVREF當(dāng)輸入電壓為1V時，D=255/5=51，用十六進(jìn)制表示為33，同理，輸入為5V時D=255，用

10、十六進(jìn)制表示為FF。在用三或多斜式積分電路上我們不能用到此芯片，否則就要加一個DAC才可以觀測到波形。3.1.2內(nèi)部電路分析雙積分型ADC主要有兩個模塊構(gòu)成，積分電路和計數(shù)器，我們將兩塊分別來模擬。積分電路：圖3.2 積分電路框圖圖3.2表明基本的積分放大電路，我們可以利用這個電路實現(xiàn)積分運算，波形顯示如圖3.3所示：圖3.3 積分輸出波形基于DVM考慮，我們可以選擇不同量程，結(jié)合模擬電路知識，我給出以下一種連接方式： 圖3.4 輸入放大與量程轉(zhuǎn)換電路如圖3.4所示，電路被接成了電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大器形式，輸入電阻高并且電路輸入端采用RC低通濾波電路抑制交流干擾，兩個不同開關(guān)控制不同的量程，可實

11、現(xiàn)不同量級的A/D轉(zhuǎn)換。計數(shù)器：理論學(xué)習(xí)中提到的邏輯計數(shù)器我們可以用觸發(fā)器實現(xiàn)，以下給出三級JK觸發(fā)器的連接方式：三級連接可以記錄三位二進(jìn)制數(shù)字，即可以從0-7，J1開關(guān)實現(xiàn)鎖數(shù)，J2開關(guān)負(fù)責(zé)清零，在時鐘脈沖下可以實現(xiàn)從0-7的計數(shù)。圖3.5 三級JK觸發(fā)器計數(shù)器圖3.6 計數(shù)器輸出波形3.2 三積分型ADC電路 結(jié)合對書上知識的理解我設(shè)計出圖5為三斜積分A/D轉(zhuǎn)換器模擬電路部分，圖中放大電路選用比較精密的Op07，比較器選用LM311；圖中的開關(guān)都可以用邏輯控件控制（如單片機(jī)，只要將各個開關(guān)控制端接到單片機(jī)不同控制端口上即可實現(xiàn)不同的開關(guān)通斷控制）原理同書上相同，想通過可選擇量程的放大器，在

12、通過積分電路，在通過比較器，不同的是加了一個Vref28參考電壓，當(dāng)積分小于一個低電平時，再通過對-Vref28的積分產(chǎn)生反向電壓，達(dá)到三積分效果。圖3.7 三積分型ADC框圖由于三積分電路積分過程比較復(fù)雜，需要在不同狀態(tài)中控制不同的開關(guān)，因此并沒有進(jìn)行觀察波形的模擬。3.3 一個簡單的DVM仿真由于多斜式積分ADC電路比較復(fù)雜，需要一些邏輯控件，在multisim環(huán)境中對我來說有些困難。用單片機(jī)proteous仿真可能可以實現(xiàn)相應(yīng)要求，在這里，我僅利用multisim中的基于雙積分ADC思想的ADC芯片和一個由8個D觸發(fā)器組成的寄存器74ls373給出一種簡單的DVM模擬。如圖3.8所示，參

13、考電壓為5V，輸入正弦電壓Vp=3V通過ADC芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC發(fā)出結(jié)束信號，將數(shù)據(jù)存入寄存器中，寄存器在每次時鐘上升沿狀態(tài)時進(jìn)行下一狀態(tài)輸出。通過示波器觀察輸出波形與數(shù)碼管顯示數(shù)字的關(guān)系。圖3.8 基于雙積分型ADC的DVM設(shè)計圖3.9 輸入電壓與數(shù)碼管顯示對照關(guān)系圖3.10 各位輸出波形從圖3.9可見，數(shù)碼管顯示數(shù)字和模擬電壓輸出呈現(xiàn)對照關(guān)系，但數(shù)碼管是十六進(jìn)制，利用74ls47可以實現(xiàn)4321BCD轉(zhuǎn)換，且根據(jù)雙積分型ADC公式可以將數(shù)碼管結(jié)果換算成模擬電壓的數(shù)值，實現(xiàn)DVM功能。四總結(jié)本次研討，需要深刻理解積分型ADC的原理，加以利用，實現(xiàn)各種功能。在課上，我們學(xué)習(xí)的知只是框圖，里面內(nèi)容的構(gòu)造還需要自己研究。在本次實驗中，我重點對積分電路和計數(shù)器進(jìn)行了探討分析，所用器件比較簡單，在多次積分的設(shè)計上，還需要多個邏輯控件才能實現(xiàn)，難度較大，在研究過程中，我感到自己的水平有限。很多知識還要花時間用探索，在這里，由于水平和時間的限制，我只是做了簡單的DVM仿真，在以后的學(xué)習(xí)中，我還會繼續(xù)學(xué)習(xí)多斜積分式ADC的相關(guān)知識，完成這部分的模擬。所以說，這份報告并沒有達(dá)到老師的要