图 3.7 三积分型 ADC 框图
由于三积分电路积分过程比较复杂，需要在不同状态中控制不同的开关，因 此并没有进行观察波形的模拟。
3.3 一个简单的 DVM 仿真
由于多斜式积分 ADC 电路比较复杂，需要一些逻辑控件，在 multisim 环境 中对我来说有些困难。 用单片机 proteous 仿真可能可以实现相应要求，在这里， 我仅利用 multisim 中的基于双积分 ADC 思想的 ADC 芯片和一个由 8 个 D 触发器 组成的寄存器 74ls373 给出一种简单的 DVM 模拟。
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图 2.3 三斜积分式 A／D 转换波形图
在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器对周期为 Tc 的计数脉 冲 CP 计数。当计数器达到满量程 N1，此时计数器由全“1”恢复为全“0”，这 个时间正好等于固定的积分时间 T1， 。计数器复“0”时，同时给出一个溢出脉 冲 （即进位脉冲） 使控制逻辑电路发出信号， 令开关 S1 转换至参考电压-VREF 一侧， 采样阶段结束。三斜积分式 A／D 转换器的转换波形是将双积分式 A/D 的反向积 分阶段 T2 分为图 4 所示的 T21、T22 两部分。在 T21 期间，积分器对基准电压-VREF 进 行积分，放电速度较快；在 T22 期间积分器改为对较小的基准电压 进行积分,放 电速度较慢。在计数时,把计数器也分为两段进行计数。在 T21 期间,从计数器的 高位(2m 位)开始计数，设其计数值为 N1；在 T22 期间，从计数器的低位（20 位） 开始计数，设其计数值为 N2。则计数器中最后的读数为:
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Title Size B Date:
Nu
1 1 -J
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确，固采用多积分式 A/D 转换器。
V VR i1 Vi 1 Vi 2 Vi 1 VR Vi 1
Vi 2
0 -VR
t
0 -VR
t
T1
T2 t
T1
T2 t
0
Vi 1分 量对 应的 输出
0
Vi 2分 量对 应的 输出
Vi 1分 量对 应的 输出
3.1 双积分型 ADC
3.1.1 外部电路研究： Multisim 中有一个通用的 ADC 转换器，对此芯片进行研究，发现它的大致 原理正是基于双积分型 ADC 的思想，我们可以用其进行模拟分析验证。
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图 3.1 双积分型 A/D 转换器 multisim 仿真
我给出 Vref=5V，D=2n 其中输出数字量位数 2n=255，D=255 当输入电压为 1V 时，D=255/5=51，用十六进制表示为 33，同理，输入为 5V 时 D=255，用十六进制表示为 FF。 在用三或多斜式积分电路上我们不能用到此芯片， 否则就要加一个 DAC 才可 以观测到波形。 3.1.2 内部电路分析 双积分型 ADC 主要有两个模块构成，积分电路和计数器，我们将两块分别来 模拟。 积分电路：
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如图 3.8 所示，参考电压为 5V，输入正弦电压 Vp=3V 通过 ADC 芯片转换成 数字信号，每次转换结束后 EOC 发出结束信号，将数据存入寄存器中，寄存器在 每次时钟上升沿状态时进行下一状态输出。 通过示波器观察输出波形与数码管显 示数字的关系。
图 3.8 基于双积分型 ADC 的 DVM 设计
VO1 VI T1 RC
（2.2）
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1 2 3
S0
C
D
取样 保 持 输 入
VI
S1
R
-V REF
G1
缓冲 驱动 器
－ ＋
∞
＋
电 压比 较 器
vO
－ ＋
∞
＋
G2 &
vB
积分器 n 位计 数 器 1 T Q C1 R 1 T Q C1 R 1 T Q C1 R 1
G3
FF
T
C
2.1 双积分型 A/D 转换电路
双积分型 ADC 是 1 种 V—T 型 A/D 转换器，原理电路如图 12.2.2-1(a)所示， 由积分器、比较器、计数器和部分控制电路组成。工作过程如下： （1） 平时 （即 A/D 转换之前） ， 转换控制信号 vC=0， 计数器和触发器 FFc 被清零， 门 G1、G2 输出低电平，开关 S0 闭合使电容 C 完全放电，S1 掷下方，比较器输出
（4）当 t=T1+T2 时，vO 上升到 vO=0V，vB=0，门 G3 被关闭，计数器停止计数， 此时计数器中保存下来的数字就是时间 T2。由图可知，输入信号 VI 越大，|VO1| 越大，T2 就越大。将式（3.2） 、t=T1+T2 和 vO=0V 代入式（3.3）中，得
vO VI V T1 REF T2 0 RC RC
CP
C
&
Q C1 R
vC d0 d1
数字 量 输出 (a)
d n-1
vO T1
B
0
T2
2T1
t
V O1
(max) (b)
V O2
图 2.1 双积分型 A/D 转换器
A
Title Number 4-Oct-2000 D:\T_sdn\t_sdn122201.sch 3 Sheet of Drawn By:
D(10) 2 n (
2.2 三斜积分式 A／D 转换器
图 2.2
三斜积分式 A／D 转换器的原理图
图 2.2 是一个三斜积分式 A／D 转换器的原理图。它由基准电压-VREF、 、积 分器、比较器和由单片机构成的计数控制电路组成。 转换开始前，先将计数器清零，并接通 S0 使电容 C 完全放电。转换开始， 断开 S0。整个转换过程分三步进行： 首先， 令开关 S1 置于输入信号 Ui 一侧。积分器对 Ui 进行固定时间 T1 的积分。 积分结束时积分器的输出电压为： 可见积分器的输出电压与 Ui 成正比。 这一过程也称为转换电路对输入模拟电 压 Ui 的采样过程。
A Vi 2 分 量对 应的 输出 Ψo =0° （a） A Ψo =90° （ b）
图 2.5 多积分 A/D 转换器的特性
三．模拟仿真
本题目要求同用到多斜式积分 ADC 设计 DVM，我们除了要求做到模拟 ADC 的 仿真，也要考虑到不同的量程，首先从两级积分型 ADC 开始研究，逐层深入，最 3 4 后达到目的。
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班 学 姓 专
级: 号: 名: 业:
通信 1109 11211105 单赟吉 通信工程 朱云
指导老师:
二零一三年十二月
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第一题： 一．研究题目：
4-19：在 Multisim 环境下，设计一种多斜积分式 DVM，给出原理图和仿真实验 结果。
二．积分型 A/D 转换电路
vB=0，门 G3 关闭。
（2）vC=1 时，开关 S0 断开， 开关 S1 掷上方接输入信号 VI，积分器开始对 VI 积分， 输出电压为
vO 1 RC VI
V dt RC t
0 I
t
(2.1)
显然 vO 是 1 条负向积分直线，如图 12.2.2-1(b)中 t=0～T1 段实线所示。与此同 时，比较器输出 vB=1（因 vO<0） ，门 G3 开启，计数器开始计数。 （3） 当积分到 t=T1=2nTcp 时 （其中 Tcp 是时钟 CP 的周期） ， n 位计数器计满 2n 复 0， FFc 置 1，门 G2 输出高电平，开关 S1 掷下方接基准电压（－VREF） ，积分器开始对 （－VREF）进行积分。 设 t=T1 时，vO 下降到 vO=VO1，由式（3.1）
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2.3 多斜式积分 AD 转换电路
多斜分式 ADC 如图 3-1 所示。面简单介绍三重积分式 ADC 的工作原理。 它的特点是比较期由两段斜坡组成，当积分器输出电压接近 0 点时，突然换接数 值较小的基准电压， 从而降低了积分器输出电压的斜率， 延长积分器回 0 的时间， 使比较周期延长以获得更多的计数值，从而提高了分辨率。而积分器在输出电压 较高时，接入数值较大的基准电压，积分速度快，因而转换速度也快。
N= N1×+N2
(2.6)
在一次测量过程中，积分器上电容器的充电电荷与放电电荷是平衡的，则
|Ux|T1=VrefT21+()T22
其中:
(2.7)
T21=N1Tc
T22=N2Tc
将上式进一步整理，可得三斜式积分式 A/D 转化器的基本关系式为
Vx=
(2.8)
本设计中，取 m=8，时钟脉冲周期 Tc=120us，基准电压 VREF=5V，并希望把 2V 被测电压变换成 N=65536 码读数时，由上式可以计算出 T1=76.8ms，而传统的 双积分式 A／D 转换器在相同的条件下所需的积分时间 T1=307.2s,可见三斜积分 式 A／D 转换器可以使转换速度大幅度提高。
（2.4）
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从而有
T2 VI T1 VREF
（2.5）
显然，计数器中的数字 dn-1dn-2…d1d0 与输入信号 VI 成正比。 例如当设 10 位双积分型 A/D 转换器的基准电压 VREF=8V，时钟频率 fcp=1MHz， 请问输入电压 VI=2V 时
D(10) T1 VI V 2n ( I ) TCP VREF VREF VI 2 ) 210 ( ) 256 =0100000000B VREF 8
S C R1
Vi Er Er/2 m
R×3
Sx Sp b Sp x
+ 积分器
VC
+ 控 比较器1 制 电 + 比较器2 路