电子测量技术大作业
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二零一三年十二月
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
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 v C =0，计数器和触发器 FFc 被清零，门 G1、 G2输出低电平，开关 S 0 闭合使电容 C 完全放电， S 1 掷下方，比较器输出
v B =0，门 G3关闭。
（ ）v C 时，开关 S 0 断开，开关 S 1 掷上方接输入信号 V I ，积分器开始对 V I 积分，
2 =1 输出电压为
1
t
V I
v O
V I dt
t
RC
显然 v O 是
RC 0
中 t
～T 1 段实线所示。与此同
1 条负向积分直线，如图
12.2.2-1(b)
=0
时，比较器输出 v B
=1（因 v O
<0），门 G3开启，计数器开始计数。
（ 3）当积分到 t =T 1=2n T cp 时（其中 T cp 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 S 1 掷下方接基准电压（－ V REF ），积分器开始对（－ V REF ）进行积分。
设 t =T 1 时， v O 下降到 v O =V O1，由式（）
V O1
V I
T 1
（）
RC
图 双积分型 A/D 转换器
(a) 原理电路 (b) 输出电压波形
因为（－ V REF ）为负值，所以从 V 01 开始向相反方向积分，即
v O V O1
1 t
( V REF )dt V O1
V REF
(t T 1 )
（）
RC
T
1
RC
v O 波形如 (b) 中 t =T 1～（ T 1+T 2）段 所示。
（ 4）当 t =T 1 +T 2 ， v O 上升到 v O =0V ， v B =0， G3被关 ， 数器停止 数，此 数器中保存下来的数字就是 T 2。由 可知， 入信号 V I 越大， | V O1| 越大， T 2 就越大。将式（）、t =T 1 +T 2 和 v O =0V 代入式（）中，得
V I
T 1
V
REF
T 2
（）
v O
RC
RC
从而有
T 2
V
I
T 1
（）
V REF
然， 数器中的数字
d n-1 d n-2 ?d 1d 0 与 入信号 V I 成正比。
例如当 10 位双 分型 A/D 器的基准 V REF =8V ， 率 f cp =1MHz ，
入 V I =2V
D
(10)
T 1 V I
2 n ( V I
)
T
CP
V
REF V
REF
D (10)
2n
(
V
I )
210 ( 2 ) 256 =00B
V REF
8
三斜积分式 A ／ D 转换器
图
三斜积分式
A ／D 转换器的原理图
是一个三斜 分式
A ／D 器的原理 。 它由基准
-V REF 、 、 分器、
比 器和由 片机构成的 数控制 路 成。
开始前，先将 数器清零，并接通
S 0 使 容 C 完全放 。 开始，
断开
S 0。整个 程分三步 行：
首先，令开关 S 1 置于 入信号 U i 一 。 分器 U i 行固定 T 1 的 分。
分 束 分器的 出 ：
可 分器的 出 与
U i 成正比。 一 程也称 路 入模
U i 的采 程。
图三斜积分式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- V REF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 -V REF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
m0
高位 (2 位) 开始计数，设其计数值为N1；在 T22期间，从计数器的低位（ 2 位）
N= N1×+N2
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|T 1=Vref T21+( )T 22
其中 :T21=N1T c T22=N2T c
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
V x=
本设计中，取 m=8，时钟脉冲周期 Tc=120us，基准电压 V REF=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 =，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=, 可见三斜积分式 A／ D转换器
可以使转换速度大幅度提高。
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。
图多积分 A/D 转换电路
系统中有两个比较器，比较器 1 的比较电平为 0 电平，比较器 2 的比较电平
为 V′，同时有两个基准电压 Er 和 Er/2m。工作过程如下：
采样期： Sx 接通， Spb、Sps 断开，积分器对被测电压 Vi 积分，积分周期恒定为 T1；
比较期 I ：Spb 接通， Sx、Sps 断开，积分器对极性与 Vi 相反的基准电压Er 进行积分，由于 Er 数值较大，故积分速度较快，积分周期为T21；
比较期Ⅱ：当积分器输出达到比较器 2 的比较电平 V′时，通过控制电路使开
关 Sps 接通， Spb、Sx 断开，积分器对 Er/2m 积分。由于基准电压减小，因而积
分速度按比例降低。当积分器输出电压达到零伏时，比较器 1 动作，通过控制电
路使所有开关断开，积分器停止积分，一次 A/D 转换结束。
因为多积分式A/D 转换器要比单积分或双积分A/D 转换器的运算快而且准确，固采用多积分式 A/D 转换器。
图多积分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，最后达到目的。
双积分型 ADC
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。
图双积分型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。
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：
图积分电路框图
图表明基本的积分放大电路，我们可以利用这个电路实现积分运算，波形显示如图所示：
图积分输出波形
基于 DVM考虑，我们可以选择不同量程，结合模拟电路知识，我给出以
下一种连接方式：
图输入放大与量程转换电路
如图所示，电路被接成了电压串联负反馈放大器形式，输入电阻高并且电路
输入端采用 RC低通滤波电路抑制交流干扰，两个不同开关控制不同的量程，可实现不同量级的 A/D 转换。
计数器：
理论学习中提到的逻辑计数器我们可以用触发器实现，以下给出三级JK 触发器的连接方式：
三级连接可以记录三位二进制数字，即可以从0-7 ， J1 开关实现锁数， J2开关负责清零，在时钟脉冲下可以实现从0-7 的计数。
图三级 JK 触发器计数器
图计数器输出波形
三积分型 ADC电路
结合对书上知识的理解我设计出图 5 为三斜积分 A/D 转换器模拟电路部分，图中放大电路选用比较精密的Op07，，比较器选用 LM311；图中的开关都可以用逻辑控件控制（如单片机，只要将各个开关控制端接到单片机不同控制端口上即
可实现不同的开关通断控制）原理同书上相同，想通过可选择量程的放大器，在通过积分电路，在通过比较器，不同的是加了一个参考电压，当积分小于一个低电平时，再通过对 -的积分产生反向电压，达到三积分效果。
图三积分型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。
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。
如图所示，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。
图基于双积分型ADC的 DVM设计
图输入电压与数码管显示对照关系
图各位输出波形
从图可见，数码管显示数字和模拟电压输出呈现对照关系，但数码管是十
六进制，利用74ls47 可以实现4321BCD转换，且根据双积分型ADC公式可
以将数码管结果换算成模拟电压的数值，实现 DVM功能。
四．总结
本次研讨，需要深刻理解积分型ADC的原理，加以利用，实现各种功能。
在课上，我们学习的知只是框图，里面内容的构造还需要自己研究。在本次
实验中，我重点对积分电路和计数器进行了探讨分析，所用器件比较简单，
在多次积分的设计上，还需要多个逻辑控件才能实现，难度较大，在研究过
程中，我感到自己的水平有限。很多知识还要花时间用探索，在这里，由于
水平和时间的限制，我只是做了简单的DVM仿真，在以后的学习中，我还会
继续学习多斜积分式ADC的相关知识，完成这部分的模拟。所以说，这份报
告并没有达到老师的要求，请老师谅解。不过在本次的学习中，我可以将很
多学科知识结合起来，加深了对积分AD转换器的理解，并有一定的创新，
也算有一些收获。
五．参考文献
[1]赵会兵 , 朱云电子测量技术 [M]. 高等教育出版社， 2011,10.
[2]张凡 . 微机原理与技术接口 [M]. 清华大学出版社北京交通大学出版社， 2010,9.
[3]侯建军 . 数字电子技术基础 ( 第二版 )[M]. 高等教育出版社 ,2007,12.
[4]朱定华 . 模拟电子技术 [M]. 清华大学出版社北京交通大学出版社， 2006,5.