CN1065961A

CN1065961A - 双斜率积分模／数变换器

Info

Publication number: CN1065961A
Application number: CN91105663A
Authority: CN
Inventors: 方三龙; 金锡基
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1991-04-13
Filing date: 1991-08-14
Publication date: 1992-11-04
Anticipated expiration: 2006-08-14
Also published as: US5194868A; JPH04345321A; KR920020859A; DE4126941A1; CN1025094C; DE4126941C2

Abstract

本发明是A/D变换器，由输入部和A/D变换核心部以及数字部构成，A/D变换核心部接收输入部的输出，在零交叉后进行放大和变换，因此，对所有的测量方式均可用自动调零来消除偏移电压，不需要零读出，所以这是动作速度快、分辨率高的双斜率积分A/D变换器。

Description

本发明涉及把模拟信号变换成数字信号的A/D变换器，尤其涉及用“X10方式”来提高分辨率，采用自动调零（Auto Eero）方式消除偏移电压（Offset Voltage），可以按比例读数（Ratio Metric Reading）的高分辨率双斜率积分A/D变换器。

一般来说，在数字万用表中所使用的双斜率A/D变换器，其分辨率（Resolution）为3 1/2 位数。但是，将零交叉（Eero Crossing）后的剩余电荷充入具有十分之一容量的电容器内，将电压放大10倍，再对其进行变换即可使双斜率A/D变换器的分辨率变为4 1/2 位数以上。

这种方式称之谓“X10方式”。采用这种“X10方式”的现有双斜率A/D变换器，其结构如图1所示，即由输入部（1）和A/D变换核心部（2）以及数字部（3）构成，上述输入部（1）在测量电压时如图1（B）所示由开关（S₁，S₂）和基准（参考）电源（±V_REF）构成;在测量电阻时如图1（C）所示，由供给电源（Vs）和开关（S₃-S₈）、参考电阻（R_ref）、电容器（Cx）和测量电阻（Rx）构成。A/D变换核心部（2）由缓冲器（BF）和运算放大器（OP AMP）、比较器（CM）、开关（S₉-S₁₁）、电阻（R₁）和电容器（C₁-C₃）构成。数字部（3）如图1（D）所示，由时钟信号输入部（4）和零交叉检测部（5）、逻辑控制部（6）、计数器（7）、解码器/寄存器（8）和驱动/显示部（9）构成。

具有上述构成的现有双斜率A/D变换器在测量电压时，如图1（B）中所示，用来测量电压的部分被连接到电源端子（V）和公用端子（A_COM）之间，参考电源（±V_REF）以低电平的公用端子（A_COM）为基准，用作使图1（A）的A/D变换核心部（2）的积分电容器（C₁）内的电荷进行放电的电压，该电压值可以调整。被测电压（V_1N）的极性若为负，则供给参考电压（+V_REF）;若为正，则供给参考电压（-V_REF）。

测量电阻时输入部（1）具有比例读出电路机构，所以，如图1（C）所示，供给电源（V_S）和参考电阻（R_ref）、被测电阻部分（电阻Rx）和公用端子（A_COM）串联连接，电流流过。这时，参考电阻（R_ref）上的电压降定为V_REF，被测电阻（Rx）上的电压降定为Vx。再者，参考电阻（R_ref）通过开关（S₃，S₄）连接到电容器（Cx）上，该电容器（Cx）的一端经过开关（S₅）连接到输出端子（Lo）上，另一端通过开关（S₆）连接到输出端子（HI）上。另外，输入端子（R）通过开关（S₇）连接到输出端子（HI）上;公用端子（A_COM）通过开关（S₈）连接到输出端子（LO）上，充入电容器（Cx）内的电压被微分（Deintegration）。

另一方面，变换动作如图2所示，由以下变换态（相位）组成：零积分（ZI：Zerolnteg-ration）、积分（INT：Integration）、第一次微分（DEI：First Deintegration）、停止（REST）、X10、第二次微分（DEα：Second Deintegration）。为了显示偏移电压变换后的值和输入电压（V_{1 N}：被测电压）变换后的值这二者的差，首先要将电源端子（V）与共用端子（A_COM）短路（零读出：Z_eroReading），然后接收输入电压（V_{1 N}）。

若将零积分（ZI）状态的时间定为T_ZI，在测量电压时将图1（A）中的A/D变换核心部（2）的开关（S₉，S₁₀）闭合，那么，在零积分（ZI）时节点（P）的电压（V_O）可用下式表示。

V₀｜T_Z1= (V_osi-V_osz)/(R₁·C₁) =T_zl+(V_os2+V_os3) ……（1）

所以，节点（P）的电压（V_O）是随T_ZI的变化而变化的。

假定积分（INT）的时间为T_{1 NT}，在图1（B）中若使开关（S₁）闭合，则在积分（INT）时电流通过图1（A）的A/D变换核心部（2）的缓冲器（BF）和电阻（R₁）及电容器（C₁），节点（P）的电位（V_O）发生变化。这时，电位（V_O）的变化量（△V_O）可用下式表示。

△V₀｜T_1NT= ((V_IN-V_os1+V_os2))/(R₁·C₁) T_INT……（2）

在第一次微分放电（DE1）时一边加参考电压（-V_REF），一边进行动作直到零交叉时为止。若将该动作时间定为T_DE1，则节点（P）的电位（V_O）的变化量（△V_O）可由下式表示。

△V₀｜T_DE1= ((-V_REF-V_{O S 1}+V_OS2))/(R₁·C₁) T_DE1……（3）

再者，由于零交叉的瞬间的电位变化量为“0”，所以，可获得下式。

ΔV_O｜T_INT+ΔV_O｜T_DE1＝0……（4）

T_DE1=( (V_IN-V_OS1+V_OS2)/(V_REF+V_OS1-V_OS2) )T_INT……（5）

在式（5）中如果对参考电压（V_REF）加以调整并使V_REF+V_OS1-V_OS2＝V_REF′，那么，上述式（5）变成以下形式。

所以，如果首先进行零读出并且求TDE（零读出）＝ (-(V_OS1-V_OS2)/(V_REF′) T_1NT，那么，可以通过T_DE1-T_DE（零读出）来消除偏移电压。

式中：V_REF'＝V_REF+V_OS1-V_OS2，T_{1 NT}是固定的时间。

再者，假定REST时的工作时间为T_REST，在图1（A）中如果A/D变换核心部（2）的开关（S₉）闭合，则REST期间电容器（C₃）内的剩余电荷被保存下来。这时，电容器（C₁）的两端电压和电容器（C₃）的两端电压相同。

然后，在X10时图1（A）中A/D变换核心部（2）的开关（S₁₀）闭合，开关（S₁₁）拉开。这样以来，比较器（6）的输出被反馈到缓冲器（BF）和运算放大器（OP AMP）内，电容器（C₃）的剩余电荷转移到电容器（C₂）上。节点（P）上的电压高低随电容器（C₂，C₃）的容量大小而变化。实际上，由于电容器（C₃）的容量是电容器（C₂）的10倍，所以，电容器（C₂）的两端电压是电容器（C₃）两端电压的10倍。

这样放大的节点（P）的电压（V_O）在第二次积分（DEα）时进行放电，对零交叉之前的时间进行计算，再将这一计算结果值与第一次积分（DE1）时的时间值（T_DE1）一起进行计算，即可获得高10倍的分辨率。

以上每次变换时开关的动作状态示于下列表1。

表1.各种变换状态下开关的动作状态

以上说明了测量电压时的变换情况，在测量电阻时也是如此。在测量电阻时零积分（ZI）期间在图1（C）中被测电阻（Rx）连接在输入端子（R）和公用端子（A_COM）之间，通过参考电阻（R_ref）加上电源（V_S），所以，流入被测电阻（Rx）的电流为I_S＝ (V_S)/(R_ref+R_X) 。在INT积分时开关（S₇，S₈）闭合，加在被测电阻（R_X）上的电压（V_X）被积分。在图1（C）中加在参考电阻（R_ref）上的电压（V_REF）如下式所示。

V_REF= (V_s)/(R_ref+R_X) R_ref

在第一次微分（DE1）时开关（S₅，S₆）闭合，所以，由电压（V_X）积分的节点（P）的电压（V_O）再次放电，第一次微分DE1一直进行到开始零交叉为止。这时，如果计算第一次微分（DE1）时的时间（T_DE1），则T_DE1可由下式表示。

T_{DEI} = \frac{\frac{V_{s}}{R_{ref} + R_{x}} R_{x} - (V_{OS 1} - V_{OS 2})}{\frac{V_{S}}{R_{ref} + R_{X}} R_{ref} - (V_{OS 1} - V_{OS 2})} T_{INT}

但是，

但是，式中的 (V_S)/(R_REF+R_X) R_ref随被测电阻（R_X）的变化而变化，不可能成为一定的值，所以，即使进行零读出，也不能消除偏移电压V_OS1-V_OS2。

具有以上动作过程的，现有双斜率A/D变换器，其缺点是：不仅需要零读出，每次变换时的变换时间很长，致使动作速度降低，而且在按比例读出时不能完全消除偏移电压，很难获得高分辨率。

本发明的目的在于提供这样一种双斜率积分A/D变换器，即消除现有双斜率A/D变换器具有的各种缺点，在分辨率为3 1/2 位数的一般双斜率A/D变换器中，对电路进行简单的变更，增加一些逻辑，采用自动调零方式，使得不再需要零读出，所以，这样制成的双斜率积分A/D变换器，动作速度快，容易消除偏移电压，容易构成分辨率为4 1/2 位数以上的数字式三用表。

图1（A）是现有双斜率积分A/D变换器的电路结构图。

图1（B）是测量电压时的输入部电路结构图。

图1（C）是测量电阻时的输入部电路结构图。

图1（D）是数字部的简单结构方框图。

图2是现有双斜率积分A/D变换器的输出信号波形图。

图3是本发明双斜率积分A/D变换器的电路结构图。

图4是开关控制信号的波形图。

图5是本发明双斜率积分A/D变换器的输出信号波形图。

图6是本发明用于数字式万用表时的实施方案结构方框图。

1、11、21……输入部

2、12、22……A/D变换核心部

3、13……数字部

以下参照附图详细说明本发明的构成以及作用和效果。

与实现上述目的的本发明有关的双斜率积分A/D变换器由以下三个部分构成：（1）输入部（11），（2）A/D变换器核心部（12），其中包括：分别接收输入部（11）的输出的缓冲器（BF）和运算放大器（OP AMP）、连接在缓冲器（BF）输出端的电阻（R1）、连接在电阻（R1）和运算放大器（OP AMP）之间的自动调零电容器（C_AZ）、充偏移电压，与电阻（R1）一起对输入电压进行积分的电容器（C₁）、用剩余电荷对节点（P）的电压（Vo）进行放大的电容器（C₂）、保存剩余电荷的电容器（C₃）、比较器（CM）和开关（S_A-S_C，S₉-S₁₁），（3）产生开关（S_A-S_D，S₁-S₁₁），接收A/D变换核心部（12）的输出，检测零交叉，显示输出值的数字部（13）。

输入部（11）的构成，在测量电压时与图1（B）所示的原有构成相同;在测量电阻时与图1（C）所示的原有构成相同。数字部（13）的构成与图1（D）所示的原有电路的数字部（3）的构成相同。

图3是与本发明有关的双斜率积分A/D变换器电路结构路，图4是控制图3所示开关等的控制信号波形图，图5是与本发明有关的双斜率积分A/D变换器输出信号控制波形图，在自动调零（AZ）时将偏移电压充入位于A/D变换核心部（12）内的自动调零电容器（C_AZ）和电容器（C₁）内，在积分（1NT）时通过电阻（R₁）和电容器（C₁）对输入电压（V_{1 N}）进行积分，在第一次微分（DE1）时上述充电电压作为参考电压（±V_REF）进行放电。然后，在REX时和REST时电流电荷保存在电容器（C₃）内，在REX时和X10时该剩余电荷向电容器（C₂）转移，对节点（P）的电压（V_O）进行放大。

首先说明自动调零（AZ）时的电路结构和动作。A/D变换核心部（12）的输入端子（HI）通过开关（SA）连接到公用端子（A_COM）上，开关（S_B）拉开，开关（S₁₁）闭合。然后，比较器（CM）的输出通过开关（S_C）反馈到负端。

所以，在此情况下电容器（C₃）与比较器（CM）的正输入端互相隔离，因此不会影响电路，T_AZ时间内节点（A）的电位（V_A）大约等于-V_OS1，（V_OS1）表示缓冲器（BF）的偏移电压。电流流过电阻（R₁）。这时，节点（P）的电压（V_O）由下式表示。

V_O｜T_AZ＝（V_OS2+V_OS3）……（A）

另外，在积分（INT）时，图1（B）所示的开关（S₁）闭合，被测输入电压（V_{1 N}）被积分。这时利用图4所示的开关控制信号（AZ，REX）使开关（S_A，S_B，S_C）拉开，在自动调零（AZ）时节点（A，P）的电位（VA）分别为V_A＝-V_OS1，V_O＝V_OS2+V_OS3。所以，如果加上输入电压（V_{1 N}），则电阻（R₁）两端的电压就变成（V_{1 N}-V_OS1）-V_A＝V_{1 N}-V_OS1-（V_OS1）＝V_{1 N}，于是偏移电压（V_OS1）被消除。这时，假定节点（P）的电位（V_O）的变化为△V_O，那么△V_O由下式表示。

△V_O｜T_INT= (V_IN)/(R₁·C₁) T_INT……（B）

节点（P）的电位（V_O）由下式表示。

V_o｜T_INT= (V_IN)/(R₁·C₁) T_INT+(V_OS2+V_OS3)……（C）

在第一次微分（DE1）时用图4所示的开关控制信号（DE1）使图1（B）的开关（S₂）闭合。于是，在积分（INT）时由参考电压（V_REF）充电的电荷进行放电，因而进行零交叉。这时，零交叉电位变成自动调零时的电压V_O｜T_AZ＝V_OS2+V_OS3。另一方面，参考电压（V_REF）的极性变成与输入电压（V_{1 N}）的极性相反，节点（P）的电位（V_O）的变化（△V_O）由下式表示。

△V_O｜T_EFI= (-V_REF)/(R₁·C₁) T_INT……（D）

零交叉时节点（P）的电位（V_O）由下式表示。

V_O｜T_INT+T_DE1＝V_O｜T_AZ＝V_OS2+V_OS3……（E）

所以，

V_{O} | T_{INT} + T_{DEI} = [\frac{V_{IN}}{R_{1} \cdot C_{1}} T_{INT} + (V_{OS 2} + V_{OS 3})]

+ (\frac{- V_{REF}}{R_{1} \cdot C_{1}} T_{DEI}) = (V_{OS 2} + V_{OS 3}) \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (F)

因此，如果求能满足V_O｜T_INT+T_DE1＝（V_OS2+V_OS3）的时间T_DE1，则T_DE1等于 (V_1N)/(V_REF) T_1NT，所以，偏移电压（V_OS2，V_OS3）可以完全消除。不管输入电压（V_{1 N}）和参考电压（V_REF）的高低如何，均可消除偏移电压，所以可以适用于按比例读出，即电阻测量。

然后，在REST时利用图4所示的开关控制信号（REST、X10、REX）使开关（S₉、S₁₁、S_B）闭合，于是，借助于零交叉后的节点（P）的输出电压（V_O）使剩余电荷储存在电容器（C₃）内。

在X10时，借助于图4所示的开关控制信号（X10、X10）使开关（S₁₀）闭合，使开关（S₁₁）拉开。于是，由于电容器（C₃）的容量比电容器（C₂）的容量大得多，所以电容器（C₃）的电荷向电容器（C₂）移动，节点（P）的电压（V_O）根据电容器（C₃）和电容器（C₂）的容量值进行放大。为了利用剩余电荷使节点（P）的电压（V_O）放大10倍，可以将电容器（C₃）的容量增大到电容器（C₂）的容量的10倍，即必须使C₃等于10×C₂。

在此，在X10的情况下，电容器（C₃）和自动调零电容器（C_AZ）的组合会使节点（P）的电压（V_O）产生摆动，这时摆动电压又对节点（P）的电压（V_A）产生作用，引起增益误差。为防止这种现象，利用图4所示的开关控制信号（REX）使开关（S_B）仅在REST时和X10时才闭合，使REX状态动作。

再者，在第二次微分（DE2）时对已由参考电压（V_REF）放大过的电压（V_O）再次进行微分，提高分辨率。

在以上各种变换状态下开关等的动作状态如表2所示。

表2.在各种变换状态下开关的动作状态

图6表示与本发明有关的简单实施方案。

即图6表示本发明双斜率积分A/D变换器用于微型计算机控制方式的数字式万用表时的结构图。为了执行数字式万用表的自动测量（A_u-to Range）功能，图中未标出的衰减功能等连接到输入部（21）上，输入部（21）的功能随电压（V）、电阻（R），电流（I）等测量方式不同而异。由微型计算机（24）来识别功能选择信息，改变输入部（21）的功能。在这里，电路的结构要保证：测量电压（V）、电阻（R）、电流（I）时的公共点在输入部（21）内换算成适当的电压，然后输出到A/D变换核心部（22）内，由A/D变换核心部（22）进行变换。

由于A/D变换器本身备有参考电压（V_REF）发生器，所以，该参考电压（V_REF）可以加到A/D变换核心部（22）上上，并且可以在外部进行微细调整。

另外，还有这样的作用;A/D变换核心部（22）对输入的电压进行变换，把零交叉时间传输到微型计算机接口（23）内，微型计算机接口（23）把微型计算机（24）的各种控制信号传输到输入部（21）和A/D变换核心部（22）内，把A/D变换核心部（22）中发生的信号传输到微型计算机（24）内。

微型计算机（24）按照软件结构发生各种变换状态，接收和计算零交叉信号，发生数字信号，或发生可驱动发光二极管（25）进行显示的信号。

所以，该系统具有能增加以下功能的特点：利用微型计算机的软件结构，对各种测量方式分别产生不同的变换状态，或者利用运算功能求平均值、最小值、最大值，另外可增加存储器等的数字功能。

如上所述，本发明双斜率积分A/D变换器有以下两大优点，一是不需要零读出，电路工作速度快;二是用微型计算机控制时减轻了软件的负担，用自动调零来消除偏移电压，所以，不管是哪种测量方式均可消除偏移电压，构成数字式万用表，没有任何困难。

再者，对于3 1/2 位数的一般分辨率的A/D变换器，做简单的结构更改，增加一点逻辑电路，采用自动调零，即可将分辨率提高到4 1/2 位数以上。

Claims

1、一种双斜率积分模/数变换器，其特征在于：

(1)输入部(11)，(2)接收输入部(11)的输出，进行零交叉，然后进行放大、变换的模/数变换核心部(12)，(3)产生控制信号(AZ、INT、DE1、REST、X10X10、REX、DEα)，驱动开关(S_A-S_C，S₁-S₁₁)等，接收A/D(模/数)变换核心部(12)的输出，检测零交叉，显示输出值的数字部(13)，利用自动调零来消除偏移电压。

2、如权利要求第1项所记载的双斜率积分A/D变换器，其特征在于：

A/D变换核心部（12）的构成部分是：缓冲器（BF）和运算放大器（OP AMP）、连接在缓冲器（BF）输出端上的电阻（R₁）、连接在电阻（R₁）和运算放大器（OP AMP）之间的自动调零电容器（C_AZ）、被偏移电压充电并与电阻（R₁）一起对输入电压进行积分的电容器（C₁）、用剩余电荷来放大节点（P）的电压（V_O）的电容器（C₂）、储存剩余电荷的电容器（C₃）、比较器（CM）和开关（S_A-S_C，S₉-S₁₁），按照变换状态进行工作。

3、如权利要求第1项记载的双斜率积分A/D变换器，其特征在于：

开关（S₈）动作，防止在REST时（相位）和X10时（相位）电荷向输入侧移动而产生的增益误差。

4、如权利要求第2项记载的双斜率积分A/D变换器，其特征在于：

在REST（相位）期间剩余电荷储存在电容器（C₃）内。

5、如权利要求第2项记载的双斜率积分A/D变换器，其特征在于：

储存在电容器（C₃）内的电荷在X10时（相位）向电容器（C₂）移动，使节点（P）的电压（V_O）放大。

6、如权利要求1中所述的双斜率积分A/D变换器，其特征在于：

以电容器（C₂）的容量比电容器（C₃）的容量大得多。