一種基于脈沖計數(shù)的積分式ad轉(zhuǎn)換電路及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路及方法，屬于電子設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明通過固定數(shù)量的控制脈沖對模擬量進行固定過程的積分比較，利用固定頻率的標(biāo)準(zhǔn)計算脈沖來填充轉(zhuǎn)換過程中的時間間隔，以達到模擬量與時間轉(zhuǎn)換的效果，再根據(jù)比例公式得到準(zhǔn)確的數(shù)字值，從而實現(xiàn)高精度AD轉(zhuǎn)換的效果。本發(fā)明利用簡單的電路獲得高分辨率不得轉(zhuǎn)換結(jié)果，成本低、易實現(xiàn)，本發(fā)明能夠很好的適用于對精度有高要求，成本有限，工作時間寬裕的AD電路。
【專利說明】—種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路及方法，屬于電子設(shè)計【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度的不斷發(fā)展，逐漸形成了以數(shù)字系統(tǒng)為主體的格局，AD轉(zhuǎn)換技術(shù)成為模擬與數(shù)字電路的接口，人們對AD轉(zhuǎn)換器的要求也越來越高。目前為止，AD轉(zhuǎn)換器主要用于采樣、量化和編碼。現(xiàn)有的AD轉(zhuǎn)換芯片絕大多數(shù)轉(zhuǎn)換精度(或分辨率)是固定式，不可變的，靠多管腳引出來代表被測量的數(shù)字值。確定芯片型號后，對于改變精度(或分辨率)極為不便，往往需要改變硬件電路，并且?guī)沓杀旧系淖兓?。針對不同型號的芯片，?nèi)部電路采用的轉(zhuǎn)換方式也不同，效果也不同，一旦確定型號，便不可更改，同時適用的工作環(huán)境也有局限性，而且精度越高，芯片的制作難度就高，成本就越高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路及方法，以解決目前AD轉(zhuǎn)換芯精度高所帶來的成本高、制作難的問題。
[0004]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題而提供一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路，該電路包括控制操作電路、模擬時間轉(zhuǎn)換電路和計數(shù)器顯示電路，所述的模擬時間轉(zhuǎn)換電路包括兩級電路，前級為積分器，其輸入端與用于與待測量、參考電壓和基準(zhǔn)電壓相連，用于對待測量、參考電壓和基準(zhǔn)電壓進行積分，后級為比較器，用于比較測量電壓與零位值，所述的控制操作電路通過相應(yīng)的開關(guān)控制模擬時間轉(zhuǎn)換電路輸入端各輸入信號的通斷，控制操作電路的輸出端與計數(shù)器顯示電路的輸入端相連。
[0005]所述的模擬時間轉(zhuǎn)換電路中還包括零位偏移電路，該零位偏移電路與積分器的一個輸入端相連。
[0006]所述的用于與積分器輸入端相連的基準(zhǔn)電壓至少為兩個。
[0007]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題還提供了一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法，該AD轉(zhuǎn)換方法包括以下步驟:
[0008]I)按照設(shè)定的順序?qū)Υ郎y量Ul和選定的基準(zhǔn)電壓先后進行積分，得到基準(zhǔn)電壓的數(shù)字值；
[0009]2)根據(jù)得到的基準(zhǔn)電壓數(shù)字值選擇相應(yīng)基準(zhǔn)電壓Uon，再次對待測量Ul和相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓Uon進行積分，得到待測量電壓Ul積分過程中基準(zhǔn)電壓Uon對應(yīng)的脈沖計數(shù)值Non和基準(zhǔn)電壓Uon積分過程中脈沖計數(shù)值Nx ；
[0010]3)根據(jù)基準(zhǔn)電壓Uon、測量電壓Ul的脈沖計數(shù)值Non和基準(zhǔn)電壓Uon的脈沖計數(shù)值Nx計算測量電壓Ul, Ul=Nx*Uon/Non。
[0011]所述待測量如果不是直流電壓是其他物理量時，引入?yún)⒖茧妷篣2作為待測物理轉(zhuǎn)換為直流電壓時對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓，利用參考電壓U2對基準(zhǔn)電壓Uon進行調(diào)整，然后根據(jù)調(diào)整后的基準(zhǔn)電壓按照步驟I) -3)進行AD轉(zhuǎn)換。
[0012]所述的利用參考電壓U2對基準(zhǔn)電壓Uon進行調(diào)整的過程是通過先后對參考電壓U2和基準(zhǔn)電壓進行積分實現(xiàn)。
[0013]所述的基準(zhǔn)電壓Uon與待測量Ul極性相反。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過固定數(shù)量的控制脈沖對模擬量進行固定過程的積分比較，利用固定頻率的標(biāo)準(zhǔn)計算脈沖來填充轉(zhuǎn)換過程中的時間間隔，以達到模擬量與時間轉(zhuǎn)換的效果，再根據(jù)比例公式得到準(zhǔn)確的數(shù)字值，從而實現(xiàn)高精度AD轉(zhuǎn)換的效果。本發(fā)明利用簡單的電路獲得高分辨率不得轉(zhuǎn)換結(jié)果，成本低、易實現(xiàn)，本發(fā)明能夠很好的適用于對精度有高要求，成本有限，工作時間寬裕的AD電路。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路；
[0016]圖2是本發(fā)明基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法實施例一中的轉(zhuǎn)換曲線示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法實施例二中的轉(zhuǎn)換曲線示意圖。

【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明。
[0019]本發(fā)明的一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路的實施例
[0020]如圖1所示，本發(fā)明的基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路包括模擬時間轉(zhuǎn)換電路、控制操作電路和顯示計數(shù)電路，模擬時間轉(zhuǎn)換電路包括兩級電路，前級為積分器，用于形成線性變化的直流電壓，后級為比較器，用于比較測量電壓與零位值，電路中含有零位偏移電路，可保證工作過程中零位準(zhǔn)確，Kl到K5為模擬開關(guān)，可接入不同模擬量，其中Kl和K2用來補償由于轉(zhuǎn)換器輸出端的反饋而產(chǎn)生的積分器零位的偏移；開關(guān)K3將測量電壓接入到積分器輸入端；K4根據(jù)測量方式的不同可接入?yún)⒖茧妷旱椒e分器的輸入端；開關(guān)Κ5根據(jù)測量電壓的極性不同，將正或負(fù)基準(zhǔn)電壓接到積分器的輸入端。外圍電路中的可逆計數(shù)器由基準(zhǔn)數(shù)字記錄電路和二進制可逆計數(shù)器電路構(gòu)成，用于記錄基準(zhǔn)數(shù)字和計算脈沖數(shù)字，顯示計數(shù)器內(nèi)部含脈沖解碼電路，可將計算脈沖的數(shù)字值顯示出來，設(shè)計中使用4個小模塊，可顯示4位數(shù)字值。模塊可以級聯(lián)增加顯示內(nèi)容的長度，Uon為電路內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，U2為外部提供的相對參考電壓與被測量有關(guān)，Ul為被測量。Uon有多個可供選擇的值，根據(jù)待測量的大小，選擇相應(yīng)合適的基準(zhǔn)電壓。
[0021]本發(fā)明的一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法的實施例一
[0022]本實施例以測量直流電壓為例，首先按照設(shè)定的順序?qū)Υ郎y量Ul和選定的基準(zhǔn)電壓先后進行積分，基準(zhǔn)電壓Uon與待測量Ul極性相反，得到基準(zhǔn)電壓的數(shù)字值，這里的設(shè)定的順序指的是先對待測量電壓進行積分(電容充電過程)，然后再對基準(zhǔn)電壓進行積分(電容放電過程);根據(jù)得到的基準(zhǔn)電壓數(shù)字值選擇相應(yīng)基準(zhǔn)電壓Uon，再次對待測量Ul和相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓Uon進行積分，得到待測量電壓Ul積分過程中基準(zhǔn)電壓Uon對應(yīng)的脈沖計數(shù)值Non和基準(zhǔn)電壓Uon積分過程中脈沖計數(shù)值Nx ;根據(jù)基準(zhǔn)電壓Uon、測量電壓Ul的脈沖計數(shù)值Non和基準(zhǔn)電壓Uon的脈沖計數(shù)值Nx計算測量電壓Ul,Ul=Nx*Uon/Non。這里之所以采用兩次積分過程是因為不知道待測量的大小，通過第一次積分過程估計出待測量的大小，根據(jù)待測量的大小選擇合適基準(zhǔn)電壓。下面依據(jù)圖1所示的電路進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換曲線如圖2所示，具體的AD轉(zhuǎn)換過程如下:
[0023]當(dāng)復(fù)位脈沖(T0時)來臨，整個轉(zhuǎn)換過程開始，電路初始化狀態(tài)設(shè)置，在TO-Tl內(nèi)，積分器的信號輸入端通過打開的開關(guān)Kl接地，積分器另一個輸入端，經(jīng)過打開的開關(guān)K2，沿著電路的反饋回路傳遞過來的積分器輸出電壓，為零位偏移電路中的記憶電容較長時間充電，保證電容器在轉(zhuǎn)換過程中狀態(tài)不變，不會放電，在時間Tl時，第一個試步脈沖傳遞過來，將Kl和K2關(guān)閉并打開K3，開關(guān)K3將測量電壓接到積分器的信號輸入端，該測量電壓可以給積分電容Cl充電，電容充電的速度與測量電壓的值成正比。在時間T2時。第二個試步脈沖傳遞過來，將開關(guān)K3關(guān)閉并打開可以接入基準(zhǔn)電壓的開關(guān)K5，此時，積分電容Cl進行負(fù)充電，因為基準(zhǔn)電壓的極性與測量電壓的極性相反，在T2時，可逆計數(shù)器將記錄基準(zhǔn)電壓的數(shù)字值，用于為下來的積分過程做參考值，根據(jù)所記錄的數(shù)字值，選擇合適的及時的基準(zhǔn)電壓，如果所記錄的數(shù)字值過大，說明待測量也比較大，而之前所選定的基準(zhǔn)電壓過小，因此需要選擇更加合適的基準(zhǔn)電壓，重新進行進行積分測量(圖2中兩次積分過程中的Uon的斜率是不相同的，這里的圖2只是示意)。在時間T3時，當(dāng)電容器Cl上的電壓達到零位值時，比較器的脈沖傳到開關(guān)線路中，使開關(guān)K5關(guān)閉，K3再次打開，在可逆計數(shù)器中，計數(shù)狀態(tài)開始工作，基準(zhǔn)電壓數(shù)字值對應(yīng)的計算脈沖開始傳遞過來。時間間隔的寬度T3-T4取決于計算脈沖頻率和正向積分過程中的計數(shù)值Non。當(dāng)可逆計數(shù)器計數(shù)歸零時產(chǎn)生一個脈沖，即T4時將關(guān)閉開關(guān)K3并打開K5，當(dāng)積分器上電容電壓重新到達O的值(T5時)，得到計數(shù)值為Nx，同時比較器產(chǎn)生一個脈沖，將開關(guān)K5打開，同時顯示計數(shù)器停止記錄脈沖，記錄到計數(shù)器中的脈沖數(shù)通過解碼可以顯示出來。從轉(zhuǎn)換曲線中可以看到時間間隔關(guān)系:(T4-T5) *Uon= (T3-T4) *U1,由于計算脈沖頻率一致，公式簡化為:Nx=Non*Ul/Uon,若Non等于基準(zhǔn)電壓的數(shù)字值，則Nx將是被測電壓的數(shù)字值，利用計算頻率的不同，可使精度發(fā)生改變。
[0024]本發(fā)明的一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法的實施例二
[0025]本實施例以測量其它物理量的轉(zhuǎn)換過程為例，在實際應(yīng)用中，需要將不同的物理量(如速度、角度或者高度等)進行AD測量，首先要先講測量的其它物理值轉(zhuǎn)換為直流電壓，然后再進行AD測量，為保證測試出的數(shù)值為對應(yīng)的物理值，需要引入一個比例關(guān)系，此時Non可能不等于基準(zhǔn)電壓的數(shù)字值，實施例一中的公式就不能直接使用了，需要通過引入U2來過渡一次才能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，U2為物理值轉(zhuǎn)換成直流電壓時對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓，首先需要利用參考電壓U2對基準(zhǔn)電壓Uon進行調(diào)整，然后根據(jù)調(diào)整后的基準(zhǔn)電壓進行積分轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換過程如圖3所示，具體的轉(zhuǎn)換過程如下:
[0026]首先產(chǎn)生復(fù)位脈沖T0，當(dāng)復(fù)位脈沖TO產(chǎn)生時，整個轉(zhuǎn)換過程開始，電路初始化狀態(tài)設(shè)置，在TO-Tl內(nèi)，積分器的信號輸入端通過開的開關(guān)Kl接地，積分器的另一個輸入端經(jīng)過打開的開關(guān)K2，沿著電路的反饋回路傳遞過來的積分器輸出電壓，為零位偏移電路中的記憶電容較長時間充電，保證電容器在轉(zhuǎn)換中狀態(tài)不變，不會放電，但第一個試步脈沖來臨時(Tl時)，開關(guān)Kl和K2將關(guān)閉，開關(guān)K5將被打開，基準(zhǔn)電壓接到積分器的輸入端口，積分電容Cl開始充電，當(dāng)?shù)诙€試步脈沖來到來時(T2時)，開關(guān)K5關(guān)閉，開關(guān)K4被打開，積分器的輸入端加上電壓U2，電容器Cl放電，因為基準(zhǔn)電壓的極性與測量電壓的極性相反。在T3時，Cl電容器上的電壓為零，測試比較器產(chǎn)生一個脈沖，可逆計數(shù)器將記錄下基準(zhǔn)數(shù)Non,同時計算脈沖傳遞過來，開關(guān)K4關(guān)閉，開關(guān)K5被打開。在T3-T4期間，可逆計數(shù)器工作，在計數(shù)器清除的時刻T4，開關(guān)K4與K5轉(zhuǎn)換，即K4打開，K5關(guān)閉，向積分器的輸入端加上電壓U2，電容器Cl放電。在T4時，可逆計數(shù)器開始記錄計算脈沖數(shù)量。在比較器清零時(T5時)，可逆計數(shù)器中記錄數(shù)字N1，N1與電壓U2的測量值成正比，公式為:Nl=Non*Uon/U2。在可逆計數(shù)器中，對計算脈沖的計數(shù)停止。當(dāng)?shù)谝粋€試步脈沖再次傳遞過來時。第二次循環(huán)(T6)開始，過程同實施例一的轉(zhuǎn)換過程，開關(guān)K3將被打開，測量電壓Ul被接入到積分器的輸入端，電壓Ul使積分電容器Cl充電。在時間間隔T7-T8中，電容器Cl放電，根據(jù)比較器結(jié)果對開關(guān)K3和K5進行操作，可逆計數(shù)器開始計數(shù)工作。當(dāng)對在第一個循環(huán)中記錄到可逆計數(shù)器中的數(shù)字NI進行計數(shù)時，在T9時，開關(guān)K3將關(guān)閉，K5打開?；鶞?zhǔn)電壓Uon將取代電壓U1，開始傳遞到積分器的輸入端，電容器Cl放電。在T9時，顯示計數(shù)器的輸入端開始輸入Nx脈沖并計數(shù)，脈沖數(shù)與電壓測量比例成正比。在TlO時刻，比較器產(chǎn)生一個脈沖，開關(guān)線路工作結(jié)束，顯示器計數(shù)器中對計算脈沖的計數(shù)停止，通過解碼將數(shù)字值顯示出來，由圖 3 可知，Nx=Nl*Ul/Uon= (Non*Uon/U2) *Ul/Uon=N*Ul/U2。
[0027] 利用上述方法對直流電15V進行實際測量，結(jié)果顯示14.98，對直流電-15V進行實際測量，結(jié)果顯示15.10，對交流電115V進行實際測量，結(jié)果顯示116.4?？梢姳景l(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高精度AD轉(zhuǎn)換的效果，且本發(fā)明利用簡單的電路獲得高分辨率不得轉(zhuǎn)換結(jié)果，成本低、易實現(xiàn)，本發(fā)明能夠很好的適用于對精度有高要求，成本有限，工作時間寬裕的AD電路。
【權(quán)利要求】
1.一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，該電路包括控制操作電路、模擬時間轉(zhuǎn)換電路和計數(shù)器顯示電路，所述的模擬時間轉(zhuǎn)換電路包括兩級電路，前級為積分器，其輸入端與用于與待測量、參考電壓和基準(zhǔn)電壓相連，用于對待測量、參考電壓和基準(zhǔn)電壓進行積分，后級為比較器，用于比較測量電壓與零位值，所述的控制操作電路通過相應(yīng)的開關(guān)控制模擬時間轉(zhuǎn)換電路輸入端各輸入信號的通斷，控制操作電路的輸出端與計數(shù)器顯示電路的輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述的模擬時間轉(zhuǎn)換電路中還包括零位偏移電路，該零位偏移電路與積分器的一個輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述的用于與積分器輸入端相連的基準(zhǔn)電壓至少為兩個。
4.一種基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，該AD轉(zhuǎn)換方法包括以下步驟: O按照設(shè)定的順序?qū)Υ郎y量Ul和選定的基準(zhǔn)電壓先后進行積分，得到基準(zhǔn)電壓的數(shù)字值； 2)根據(jù)得到的基準(zhǔn)電壓數(shù)字值選擇相應(yīng)基準(zhǔn)電壓Uon，再次對待測量Ul和相應(yīng)的基準(zhǔn)電壓Uon進行積分，得到待測量電壓Ul積分過程中基準(zhǔn)電壓Uon對應(yīng)的脈沖計數(shù)值Non和基準(zhǔn)電壓Uon積分過程中脈沖計數(shù)值Nx ； 3)根據(jù)基準(zhǔn)電壓Uon、測量電壓Ul的脈沖計數(shù)值Non和基準(zhǔn)電壓Uon的脈沖計數(shù)值Nx計算測量電壓Ul, Ul=Nx*Uon/Non。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述待測量如果不是直流電壓是其他物理量時，引入?yún)⒖茧妷篣2作為待測物理轉(zhuǎn)換為直流電壓時對應(yīng)的基準(zhǔn)電壓，利用參考電壓U2對基準(zhǔn)電壓Uon進行調(diào)整，然后根據(jù)調(diào)整后的基準(zhǔn)電壓按照步驟I)-3)進行AD轉(zhuǎn)換。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述的利用參考電壓U2對基準(zhǔn)電壓Uon進行調(diào)整的過程是通過先后對參考電壓U2和基準(zhǔn)電壓進行積分實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于脈沖計數(shù)的積分式AD轉(zhuǎn)換方法，其特征在于，所述的基準(zhǔn)電壓Uon與待測量Ul極性相反。
【文檔編號】H03M1/46GK104300985SQ201310634962
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】楊麒 申請人:中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設(shè)備研究所