CN104300985A - 一种基于脉冲计数的积分式ad转换电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉冲计数的积分式AD转换电路及方法，属于电子设计技术领域。本发明通过固定数量的控制脉冲对模拟量进行固定过程的积分比较，利用固定频率的标准计算脉冲来填充转换过程中的时间间隔，以达到模拟量与时间转换的效果，再根据比例公式得到准确的数字值，从而实现高精度AD转换的效果。本发明利用简单的电路获得高分辨率不得转换结果，成本低、易实现，本发明能够很好的适用于对精度有高要求，成本有限，工作时间宽裕的AD电路。

Description

一种基于脉冲计数的积分式AD转换电路及方法

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲计数的积分式AD转换电路及方法，属于电子设计技术领域。

背景技术

随着电子产业数字化程度的不断发展，逐渐形成了以数字系统为主体的格局，AD转换技术成为模拟与数字电路的接口，人们对AD转换器的要求也越来越高。目前为止，AD转换器主要用于采样、量化和编码。现有的AD转换芯片绝大多数转换精度（或分辨率）是固定式，不可变的，靠多管脚引出来代表被测量的数字值。确定芯片型号后，对于改变精度（或分辨率）极为不便，往往需要改变硬件电路，并且带来成本上的变化。针对不同型号的芯片，内部电路采用的转换方式也不同，效果也不同，一旦确定型号，便不可更改，同时适用的工作环境也有局限性，而且精度越高，芯片的制作难度就高，成本就越高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于脉冲计数的积分式AD转换电路及方法，以解决目前AD转换芯精度高所带来的成本高、制作难的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种基于脉冲计数的积分式AD转换电路，该电路包括控制操作电路、模拟时间转换电路和计数器显示电路，所述的模拟时间转换电路包括两级电路，前级为积分器，其输入端与用于与待测量、参考电压和基准电压相连，用于对待测量、参考电压和基准电压进行积分，后级为比较器，用于比较测量电压与零位值，所述的控制操作电路通过相应的开关控制模拟时间转换电路输入端各输入信号的通断，控制操作电路的输出端与计数器显示电路的输入端相连。

所述的模拟时间转换电路中还包括零位偏移电路，该零位偏移电路与积分器的一个输入端相连。

所述的用于与积分器输入端相连的基准电压至少为两个。

本发明为解决上述技术问题还提供了一种基于脉冲计数的积分式AD转换方法，该AD转换方法包括以下步骤：

1）按照设定的顺序对待测量U1和选定的基准电压先后进行积分，得到基准电压的数字值；

2）根据得到的基准电压数字值选择相应基准电压Uon，再次对待测量U1和相应的基准电压Uon进行积分，得到待测量电压U1积分过程中基准电压Uon对应的脉冲计数值Non和基准电压Uon积分过程中脉冲计数值Nx；

3）根据基准电压Uon、测量电压U1的脉冲计数值Non和基准电压Uon的脉冲计数值Nx计算测量电压U1，U1=Nx*Uon/Non。

所述待测量如果不是直流电压是其他物理量时，引入参考电压U2作为待测物理转换为直流电压时对应的基准电压，利用参考电压U2对基准电压Uon进行调整，然后根据调整后的基准电压按照步骤1）-3）进行AD转换。

所述的利用参考电压U2对基准电压Uon进行调整的过程是通过先后对参考电压U2和基准电压进行积分实现。

所述的基准电压Uon与待测量U1极性相反。

本发明的有益效果是:本发明通过固定数量的控制脉冲对模拟量进行固定过程的积分比较，利用固定频率的标准计算脉冲来填充转换过程中的时间间隔，以达到模拟量与时间转换的效果，再根据比例公式得到准确的数字值，从而实现高精度AD转换的效果。本发明利用简单的电路获得高分辨率不得转换结果，成本低、易实现，本发明能够很好的适用于对精度有高要求，成本有限，工作时间宽裕的AD电路。

附图说明

图1是本发明的基于脉冲计数的积分式AD转换电路；

图2是本发明基于脉冲计数的积分式AD转换方法实施例一中的转换曲线示意图；

图3是本发明基于脉冲计数的积分式AD转换方法实施例二中的转换曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种基于脉冲计数的积分式AD转换电路的实施例

如图1所示，本发明的基于脉冲计数的积分式AD转换电路包括模拟时间转换电路、控制操作电路和显示计数电路，模拟时间转换电路包括两级电路，前级为积分器，用于形成线性变化的直流电压，后级为比较器，用于比较测量电压与零位值，电路中含有零位偏移电路，可保证工作过程中零位准确，K1到K5为模拟开关，可接入不同模拟量，其中K1和K2用来补偿由于转换器输出端的反馈而产生的积分器零位的偏移；开关K3将测量电压接入到积分器输入端；K4根据测量方式的不同可接入参考电压到积分器的输入端；开关K5根据测量电压的极性不同，将正或负基准电压接到积分器的输入端。外围电路中的可逆计数器由基准数字记录电路和二进制可逆计数器电路构成，用于记录基准数字和计算脉冲数字，显示计数器内部含脉冲解码电路，可将计算脉冲的数字值显示出来，设计中使用4个小模块，可显示4位数字值。模块可以级联增加显示内容的长度，Uon为电路内部基准电压，U2为外部提供的相对参考电压与被测量有关，U1为被测量。Uon有多个可供选择的值，根据待测量的大小，选择相应合适的基准电压。

本发明的一种基于脉冲计数的积分式AD转换方法的实施例一

本实施例以测量直流电压为例，首先按照设定的顺序对待测量U1和选定的基准电压先后进行积分，基准电压Uon与待测量U1极性相反，得到基准电压的数字值，这里的设定的顺序指的是先对待测量电压进行积分（电容充电过程），然后再对基准电压进行积分（电容放电过程）；根据得到的基准电压数字值选择相应基准电压Uon，再次对待测量U1和相应的基准电压Uon进行积分，得到待测量电压U1积分过程中基准电压Uon对应的脉冲计数值Non和基准电压Uon积分过程中脉冲计数值Nx；根据基准电压Uon、测量电压U1的脉冲计数值Non和基准电压Uon的脉冲计数值Nx计算测量电压U1，U1=Nx*Uon/Non。这里之所以采用两次积分过程是因为不知道待测量的大小，通过第一次积分过程估计出待测量的大小，根据待测量的大小选择合适基准电压。下面依据图1所示的电路进行转换，转换曲线如图2所示，具体的AD转换过程如下：

当复位脉冲（T0时）来临，整个转换过程开始，电路初始化状态设置，在T0-T1内，积分器的信号输入端通过打开的开关K1接地，积分器另一个输入端，经过打开的开关K2，沿着电路的反馈回路传递过来的积分器输出电压，为零位偏移电路中的记忆电容较长时间充电，保证电容器在转换过程中状态不变，不会放电，在时间T1时，第一个试步脉冲传递过来，将K1和K2关闭并打开K3，开关K3将测量电压接到积分器的信号输入端，该测量电压可以给积分电容C1充电，电容充电的速度与测量电压的值成正比。在时间T2时。第二个试步脉冲传递过来，将开关K3关闭并打开可以接入基准电压的开关K5，此时，积分电容C1进行负充电，因为基准电压的极性与测量电压的极性相反，在T2时，可逆计数器将记录基准电压的数字值，用于为下来的积分过程做参考值，根据所记录的数字值，选择合适的及时的基准电压，如果所记录的数字值过大，说明待测量也比较大，而之前所选定的基准电压过小，因此需要选择更加合适的基准电压，重新进行进行积分测量（图2中两次积分过程中的Uon的斜率是不相同的，这里的图2只是示意）。在时间T3时，当电容器C1上的电压达到零位值时，比较器的脉冲传到开关线路中，使开关K5关闭，K3再次打开，在可逆计数器中，计数状态开始工作，基准电压数字值对应的计算脉冲开始传递过来。时间间隔的宽度T3-T4取决于计算脉冲频率和正向积分过程中的计数值Non。当可逆计数器计数归零时产生一个脉冲，即T4时将关闭开关K3并打开K5，当积分器上电容电压重新到达0的值（T5时），得到计数值为Nx，同时比较器产生一个脉冲，将开关K5打开，同时显示计数器停止记录脉冲，记录到计数器中的脉冲数通过解码可以显示出来。从转换曲线中可以看到时间间隔关系：（T4-T5）*Uon=（T3-T4）*U1，由于计算脉冲频率一致，公式简化为：Nx=Non*U1/Uon，若Non等于基准电压的数字值，则Nx将是被测电压的数字值，利用计算频率的不同，可使精度发生改变。

本发明的一种基于脉冲计数的积分式AD转换方法的实施例二

本实施例以测量其它物理量的转换过程为例，在实际应用中，需要将不同的物理量（如速度、角度或者高度等）进行AD测量，首先要先讲测量的其它物理值转换为直流电压，然后再进行AD测量，为保证测试出的数值为对应的物理值，需要引入一个比例关系，此时Non可能不等于基准电压的数字值，实施例一中的公式就不能直接使用了，需要通过引入U2来过渡一次才能准确转换，U2为物理值转换成直流电压时对应的基准电压，首先需要利用参考电压U2对基准电压Uon进行调整，然后根据调整后的基准电压进行积分转换，该转换过程如图3所示，具体的转换过程如下：

首先产生复位脉冲T0，当复位脉冲T0产生时，整个转换过程开始，电路初始化状态设置，在T0-T1内，积分器的信号输入端通过开的开关K1接地，积分器的另一个输入端经过打开的开关K2，沿着电路的反馈回路传递过来的积分器输出电压，为零位偏移电路中的记忆电容较长时间充电，保证电容器在转换中状态不变，不会放电，但第一个试步脉冲来临时（T1时），开关K1和K2将关闭，开关K5将被打开，基准电压接到积分器的输入端口，积分电容C1开始充电，当第二个试步脉冲来到来时（T2时），开关K5关闭，开关K4被打开，积分器的输入端加上电压U2，电容器C1放电，因为基准电压的极性与测量电压的极性相反。在T3时，C1电容器上的电压为零，测试比较器产生一个脉冲，可逆计数器将记录下基准数Non，同时计算脉冲传递过来，开关K4关闭，开关K5被打开。在T3-T4期间，可逆计数器工作，在计数器清除的时刻T4，开关K4与K5转换，即K4打开，K5关闭，向积分器的输入端加上电压U2，电容器C1放电。在T4时，可逆计数器开始记录计算脉冲数量。在比较器清零时（T5时），可逆计数器中记录数字N1，N1与电压U2的测量值成正比，公式为：N1=Non*Uon/U2。在可逆计数器中，对计算脉冲的计数停止。当第一个试步脉冲再次传递过来时。第二次循环（T6）开始，过程同实施例一的转换过程，开关K3将被打开，测量电压U1被接入到积分器的输入端，电压U1使积分电容器C1充电。在时间间隔T7-T8中，电容器C1放电，根据比较器结果对开关K3和K5进行操作，可逆计数器开始计数工作。当对在第一个循环中记录到可逆计数器中的数字N1进行计数时，在T9时，开关K3将关闭，K5打开。基准电压Uon将取代电压U1，开始传递到积分器的输入端，电容器C1放电。在T9时，显示计数器的输入端开始输入Nx脉冲并计数，脉冲数与电压测量比例成正比。在T10时刻，比较器产生一个脉冲，开关线路工作结束，显示器计数器中对计算脉冲的计数停止，通过解码将数字值显示出来，由图3可知，Nx=N1*U1/Uon=（Non*Uon/U2）*U1/Uon=N*U1/U2。

利用上述方法对直流电15V进行实际测量，结果显示14.98，对直流电-15V进行实际测量，结果显示15.10，对交流电115V进行实际测量，结果显示116.4。可见本发明能够实现高精度AD转换的效果，且本发明利用简单的电路获得高分辨率不得转换结果，成本低、易实现，本发明能够很好的适用于对精度有高要求，成本有限，工作时间宽裕的AD电路。

Claims (7)

1.一种基于脉冲计数的积分式AD转换电路，其特征在于，该电路包括控制操作电路、模拟时间转换电路和计数器显示电路，所述的模拟时间转换电路包括两级电路，前级为积分器，其输入端与用于与待测量、参考电压和基准电压相连，用于对待测量、参考电压和基准电压进行积分，后级为比较器，用于比较测量电压与零位值，所述的控制操作电路通过相应的开关控制模拟时间转换电路输入端各输入信号的通断，控制操作电路的输出端与计数器显示电路的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于脉冲计数的积分式AD转换电路，其特征在于，所述的模拟时间转换电路中还包括零位偏移电路，该零位偏移电路与积分器的一个输入端相连。

3.根据权利要求2所述的基于脉冲计数的积分式AD转换电路，其特征在于，所述的用于与积分器输入端相连的基准电压至少为两个。

4.一种基于脉冲计数的积分式AD转换方法，其特征在于，该AD转换方法包括以下步骤：

1）按照设定的顺序对待测量U1和选定的基准电压先后进行积分，得到基准电压的数字值；

2）根据得到的基准电压数字值选择相应基准电压Uon，再次对待测量U1和相应的基准电压Uon进行积分，得到待测量电压U1积分过程中基准电压Uon对应的脉冲计数值Non和基准电压Uon积分过程中脉冲计数值Nx；

3）根据基准电压Uon、测量电压U1的脉冲计数值Non和基准电压Uon的脉冲计数值Nx计算测量电压U1，U1=Nx*Uon/Non。

5.根据权利要求4所述的基于脉冲计数的积分式AD转换方法，其特征在于，所述待测量如果不是直流电压是其他物理量时，引入参考电压U2作为待测物理转换为直流电压时对应的基准电压，利用参考电压U2对基准电压Uon进行调整，然后根据调整后的基准电压按照步骤1）-3）进行AD转换。

6.根据权利要求5所述的基于脉冲计数的积分式AD转换方法，其特征在于，所述的利用参考电压U2对基准电压Uon进行调整的过程是通过先后对参考电压U2和基准电压进行积分实现。

7.根据权利要求4或5所述的基于脉冲计数的积分式AD转换方法，其特征在于，所述的基准电压Uon与待测量U1极性相反。