关于积分型ADC的基本知识

关于积分型ADC的基本知识

概念

一个积分型ADC是一种通过使用积分器将未知的输入电压转换成数字表示的一种模数转换器。
双积分型ADC属于间接ADC，其原理是先把输入模拟信号转换成与之成正比的时间间隔，然后在这个时间间隔内利用计数器对固定频率的计数脉冲进行计数，计数器的计数值就是AD转换后输出的数字量，它与输入模拟信号成正比。
在它最基本的实现中，这个未知的输入电压是被施加在积分器的输入端，并且持续一个固定的时间段（上升阶段）。然后用一个已知的反向电压施加到积分器，这样持续到积分器输出归零（下降阶段）。

这样，输入电压的计算结果实际是参考电压的一个函数，定时上升阶段时间和测得的下降阶段时间。下降阶段时间的测量通常是以转换器的时钟为单位，**所以积分时间越长，分辨率越高。**同样的，转换器的速度可以靠牺牲分辨率来获得提升。

积分型ADC可以获得高分辨率，但是通常这样做会牺牲速度。因此，这些转换器不适用于音频或信号处理的场合应用。积分型ADC的典型应用就是数字电压计和其他需要高精度测量的仪表。

基本设计

最基本的积分型ADC电路包括：
一个积分器
一个选择开关（用来选在被测电压和参考电压）
一个定时器（用来决定对被测电压的积分时间长度和测量参考电压积分消耗时间）
一个比较器（用来进行过零检测）
一个控制器
一个放电开关（这个可有可无，主要用来对积分电容进行放电，与积分电容并联）
之上的所有开关都由转换器的控制器（微处理器或专用的控制逻辑），控制器的输入包括一个时钟信号（用来测量时间）和比较器的输出信号（用来检测积分器的输出是否归0）

工作过程

ADC的原理框图如下所示

转换开始前，转换控制信号uL=0，将各触发器清零，同时控制开关S2闭合，使积分电容C完全放电，积分器输出Uo=0。当Ul等于1时开始转换，转换过程为两次积分。
第一次积分：
开关S1接至模拟信号Ui一侧，S2断开，积分器开始对输入模拟信号Ui进行积分。输出电压为：

由上式可知，当Ui大于0时，Uo小于0，比较器输出1，与门G打开，n位二进制计数器对CP脉冲进行加法计数。当计数器计满2^n个脉冲时，自动返回全0状态，同时触发器FFn的输出Qn等于1，使开关S1接至参考电压一侧，第一次积分结束。
从上述分析可知，第一次积分的积分时间是一常数，用T1来表示，则T1等于2^nTcp，式中Tcp为CP脉冲的周期，第一次积分结束时积分器的输出电压为
由于T1=2^nTcp为常数，因此积分器的输出电压Uo1与输入模拟信号Ui成正比，第一次对输入模拟信号Ui的积分为定时积分
第二次积分：
开关S1接至参考电压端后，积分器对基准电压进行第二次反向积分，积分器的输出电压开始上升，此时，仍有Uot<0，比较器输出Uc=1，与门G仍打开，计数器又开始从0进行加法计数。经过时间T2后积分器的输出电压上升到0，比较器输出为0，与门关闭，计数器停止计数，AD转换完毕，此时积分器的输出电压为因此，
可见积分时间T2与输入模拟信号成正比
假设在T2时间内计数器记录了N个脉冲，则T2=NTcp，可得：

计数器记录的脉冲数N就是AD转换后输出的数字量，由上式可知，它与输入模拟信号成正比。双积分型ADC工作波形如图所示：

双积分型ADC的转换速度低，但是工作性能稳定，转换结果与RC等参数无关，具有较强的抗干扰能力，广泛应用于低速高精度的数字式仪表中。

转换精度

单片集成AD转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的

1. 分辨率
   ADC的分辨率以输出二进制数的位数来表示。它说明ADC转换器对输入信号的分辨能力。从理论上来讲，n位输出的ADC转换器能够区分2^n个不同等级输入的模拟电压，能够区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数越多，分辨率越高。例如ADC输出为8位2进制数，输入信号最大值为5V，那么这个转换器应该能区分输入信号的最小电压为9.53mv

2. 转换误差
   转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示ADC实际输出的数字量和理论上输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数来表示。例如给出相对误差<=LSB/2，这就表示实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字

分辨率问题

双斜坡积分型ADC的分辨率主要由下降阶段的时间长度和时间测量分辨率（如控制器时钟的频率）来决定的，因此这也是为什么速度和分辨率是矛盾的。期望的分辨率bits是满量程输入时，下降时间的最小长度。
在满量程输入的测量过程中，积分器输出的斜坡在上升和下降阶段是相同的（方向相反）。也就是上升和下降阶段的时间是相等的，因此，满程输入的总的测量时间是基于期望的分辨率和控制器的时钟频率的。

例如，如果期望得到16bits的分辨率，控制器时钟频率是10MHz，那么测量时间计算下来就是13.1ms（每秒钟76个采样），采样可以靠牺牲分辨率得到改善。如果分辨率降低到10bits，那么在同样的10MHZ的时钟频率下，测量时间就为0.2ms（每秒钟4900个采样）。

局限性

双斜坡积分型ADC有几个局限。对于基本的双斜坡ADC来说，靠使用更长的测量时间或者更高的时钟频率来任意提高分辨率是不可能的。分辨率被以下条件所限制：
1、积分器运放的范围。运放的轨电压限制了积分器的输出电压。长时间的积分器输入会导致输出被限制到一个最大值，使得任何基于下降时间的计算都没有意义。因此应基于运放的轨电压、参考电压和期望的满程被测电压小心地选择积分器的电阻和电容，并且最长的上升时间也应满足期望的分辨率
2、作为过零检测的比较器的准确度。宽带电路噪声限制了比较器精确检测积分器输出归零的能力。
3、积分电容的品质。尽管积分电容不需要完美的线性，但却需要时间恒定。介电吸收会导致严重问题。介质吸收现象可能与介质表面的残留极化有关。所以积分型ADC的电容应该选择高质量、低介质吸收的电容

改善

基本双斜坡积分型ADC的设计在转换速度和分辨率方面有限制，下面是相应的改进过程。
针对上升阶段的改进：
基于双斜坡设计的上升阶段会将被测电压固定积分一段时间。也就是说，它最终会在积分电容上简历一个不确定的电荷量。下降阶段测量这个不确定的电荷来确定被测电压。对于满量程输入，测量时间的一半会被花费到上升阶段。对于更小的输入，相对总测量时间的一个更大比例的时间会被花费到上升阶段。所以，减少花费到上升阶段的时间可以显著降低总的测量时间。

一个简单的减少上升时间的方法就是增加充电电荷的积累速度，这可以靠减少输入电阻值来实现。这依然是要积累同等数量的电荷，只是需要的时间更少。在下降阶段使用同样的算法。电路图改善如下所示：

5G14433 ADC转换器的特性及结构

5G14433是上海元件五厂生产的三位半ADC，是一种双积分型ADC，具有精度高（精度相当于11位进制的ADC）、抗干扰性能好等优点。其缺点是转换速度慢。在不要求高速转换的场合，例如温度测控系统中，被广泛采用。
其的被转换电压量程为199.9MV或者1.999V。转换结果以BCD码的形式分4次输出。

总结

本文详细介绍了双积分型ADC的基本原理和工作过程，并通过其工作过程对其特点进行了分析：双次积分、精度高但是转换速度低、稳定抗干扰能力强。属于低速ADC中的一种，适用于对精度要求比较高的场合。