雙斜率積分模／數變換器的製作方法

2023-04-27 14:13:36

專利名稱：雙斜率積分模／數變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及把模擬信號變換成數位訊號的A/D變換器，尤其涉及用「X10方式」來提高解析度，採用自動調零(Auto Eero)方式消除偏移電壓(Offset Voltage)，可以按比例讀數(Ratio Metric Reading)的高解析度雙斜率積分A/D變換器。
一般來說，在數字萬用表中所使用的雙斜率A/D變換器，其解析度(Resolution)為3 1/2 位數。但是，將零交叉(Eero Crossing)後的剩餘電荷充入具有十分之一容量的電容器內，將電壓放大10倍，再對其進行變換即可使雙斜率A/D變換器的解析度變為4 1/2 位數以上。
這種方式稱之謂「X10方式」。採用這種「X10方式」的現有雙斜率A/D變換器，其結構如

圖1所示，即由輸入部(1)和A/D變換核心部(2)以及數字部(3)構成，上述輸入部(1)在測量電壓時如圖1(B)所示由開關(S1，S2)和基準(參考)電源(±VREF)構成;在測量電阻時如圖1(C)所示，由供給電源(Vs)和開關(S3-S8)、參考電阻(Rref)、電容器(Cx)和測量電阻(Rx)構成。A/D變換核心部(2)由緩衝器(BF)和運算放大器(OP AMP)、比較器(CM)、開關(S9-S11)、電阻(R1)和電容器(C1-C3)構成。數字部(3)如圖1(D)所示，由時鐘信號輸入部(4)和零交叉檢測部(5)、邏輯控制部(6)、計數器(7)、解碼器/寄存器(8)和驅動/顯示部(9)構成。
具有上述構成的現有雙斜率A/D變換器在測量電壓時，如圖1(B)中所示，用來測量電壓的部分被連接到電源端子(V)和公用端子(ACOM)之間，參考電源(±VREF)以低電平的公用端子(ACOM)為基準，用作使圖1(A)的A/D變換核心部(2)的積分電容器(C1)內的電荷進行放電的電壓，該電壓值可以調整。被測電壓(V1N)的極性若為負，則供給參考電壓(+VREF);若為正，則供給參考電壓(-VREF)。
測量電阻時輸入部(1)具有比例讀出電路機構，所以，如圖1(C)所示，供給電源(VS)和參考電阻(Rref)、被測電阻部分(電阻Rx)和公用端子(ACOM)串聯連接，電流流過。這時，參考電阻(Rref)上的電壓降定為VREF，被測電阻(Rx)上的電壓降定為Vx。再者，參考電阻(Rref)通過開關(S3，S4)連接到電容器(Cx)上，該電容器(Cx)的一端經過開關(S5)連接到輸出端子(Lo)上，另一端通過開關(S6)連接到輸出端子(HI)上。另外，輸入端子(R)通過開關(S7)連接到輸出端子(HI)上;公用端子(ACOM)通過開關(S8)連接到輸出端子(LO)上，充入電容器(Cx)內的電壓被微分(Deintegration)。
另一方面，變換動作如圖2所示，由以下變換態(相位)組成零積分(ZIZerolnteg-ration)、積分(INTIntegration)、第一次微分(DEIFirst Deintegration)、停止(REST)、X10、第二次微分(DEαSecond Deintegration)。為了顯示偏移電壓變換後的值和輸入電壓(V1 N被測電壓)變換後的值這二者的差，首先要將電源端子(V)與共用端子(ACOM)短路(零讀出ZeroReading)，然後接收輸入電壓(V1 N)。
若將零積分(ZI)狀態的時間定為TZI，在測量電壓時將圖1(A)中的A/D變換核心部(2)的開關(S9，S10)閉合，那麼，在零積分(ZI)時節點(P)的電壓(VO)可用下式表示。
V0｜TZ1= (Vosi-Vosz)/(R1·C1) =Tzl+(Vos2+Vos3) ……(1)所以，節點(P)的電壓(VO)是隨TZI的變化而變化的。
假定積分(INT)的時間為T1 NT，在圖1(B)中若使開關(S1)閉合，則在積分(INT)時電流通過圖1(A)的A/D變換核心部(2)的緩衝器(BF)和電阻(R1)及電容器(C1)，節點(P)的電位(VO)發生變化。這時，電位(VO)的變化量(△VO)可用下式表示。
△V0｜T1NT= ((VIN-Vos1+Vos2))/(R1·C1) TINT……(2)在第一次微分放電(DE1)時一邊加參考電壓(-VREF)，一邊進行動作直到零交叉時為止。若將該動作時間定為TDE1，則節點(P)的電位(VO)的變化量(△VO)可由下式表示。
△V0｜TDE1= ((-VREF-VO S 1+VOS2))/(R1·C1) TDE1……(3)
再者，由於零交叉的瞬間的電位變化量為「0」，所以，可獲得下式。
ΔVO｜TINT+ΔVO｜TDE1＝0……(4)TDE1=( (VIN-VOS1+VOS2)/(VREF+VOS1-VOS2) )TINT……(5)在式(5)中如果對參考電壓(VREF)加以調整並使VREF+VOS1-VOS2＝VREF′，那麼，上述式(5)變成以下形式。
所以，如果首先進行零讀出並且求TDE(零讀出)＝ (-(VOS1-VOS2)/(VREF′) T1NT，那麼，可以通過TDE1-TDE(零讀出)來消除偏移電壓。
式中VREF'＝VREF+VOS1-VOS2，T1 NT是固定的時間。
再者，假定REST時的工作時間為TREST，在圖1(A)中如果A/D變換核心部(2)的開關(S9)閉合，則REST期間電容器(C3)內的剩餘電荷被保存下來。這時，電容器(C1)的兩端電壓和電容器(C3)的兩端電壓相同。
然後，在X10時圖1(A)中A/D變換核心部(2)的開關(S10)閉合，開關(S11)拉開。這樣以來，比較器(6)的輸出被反饋到緩衝器(BF)和運算放大器(OP AMP)內，電容器(C3)的剩餘電荷轉移到電容器(C2)上。節點(P)上的電壓高低隨電容器(C2，C3)的容量大小而變化。實際上，由於電容器(C3)的容量是電容器(C2)的10倍，所以，電容器(C2)的兩端電壓是電容器(C3)兩端電壓的10倍。
這樣放大的節點(P)的電壓(VO)在第二次積分(DEα)時進行放電，對零交叉之前的時間進行計算，再將這一計算結果值與第一次積分(DE1)時的時間值(TDE1)一起進行計算，即可獲得高10倍的解析度。
以上每次變換時開關的動作狀態示於下列表1。
表1.各種變換狀態下開關的動作狀態
以上說明了測量電壓時的變換情況，在測量電阻時也是如此。在測量電阻時零積分(ZI)期間在圖1(C)中被測電阻(Rx)連接在輸入端子(R)和公用端子(ACOM)之間，通過參考電阻(Rref)加上電源(VS)，所以，流入被測電阻(Rx)的電流為IS＝ (VS)/(Rref+RX) 。在INT積分時開關(S7，S8)閉合，加在被測電阻(RX)上的電壓(VX)被積分。在圖1(C)中加在參考電阻(Rref)上的電壓(VREF)如下式所示。
VREF= (Vs)/(Rref+RX) Rref在第一次微分(DE1)時開關(S5，S6)閉合，所以，由電壓(VX)積分的節點(P)的電壓(VO)再次放電，第一次微分DE1一直進行到開始零交叉為止。這時，如果計算第一次微分(DE1)時的時間(TDE1)，則TDE1可由下式表示。
TDEI=VsRref+RxRx-(VOS1-VOS2)VSRref+RXRref-(VOS1-VOS2)TINT]]>但是，但是，式中的 (VS)/(RREF+RX) Rref隨被測電阻(RX)的變化而變化，不可能成為一定的值，所以，即使進行零讀出，也不能消除偏移電壓VOS1-VOS2。
具有以上動作過程的，現有雙斜率A/D變換器，其缺點是不僅需要零讀出，每次變換時的變換時間很長，致使動作速度降低，而且在按比例讀出時不能完全消除偏移電壓，很難獲得高解析度。
本發明的目的在於提供這樣一種雙斜率積分A/D變換器，即消除現有雙斜率A/D變換器具有的各種缺點，在解析度為3 1/2 位數的一般雙斜率A/D變換器中，對電路進行簡單的變更，增加一些邏輯，採用自動調零方式，使得不再需要零讀出，所以，這樣製成的雙斜率積分A/D變換器，動作速度快，容易消除偏移電壓，容易構成解析度為4 1/2 位數以上的數字式三用表。
圖1(A)是現有雙斜率積分A/D變換器的電路結構圖。
圖1(B)是測量電壓時的輸入部電路結構圖。
圖1(C)是測量電阻時的輸入部電路結構圖。
圖1(D)是數字部的簡單結構方框圖。
圖2是現有雙斜率積分A/D變換器的輸出信號波形圖。
圖3是本發明雙斜率積分A/D變換器的電路結構圖。
圖4是開關控制信號的波形圖。
圖5是本發明雙斜率積分A/D變換器的輸出信號波形圖。
圖6是本發明用於數字式萬用表時的實施方案結構方框圖。
1、11、21……輸入部2、12、22……A/D變換核心部3、13……數字部以下參照附圖詳細說明本發明的構成以及作用和效果。
與實現上述目的的本發明有關的雙斜率積分A/D變換器由以下三個部分構成(1)輸入部(11)，(2)A/D變換器核心部(12)，其中包括分別接收輸入部(11)的輸出的緩衝器(BF)和運算放大器(OP AMP)、連接在緩衝器(BF)輸出端的電阻(R1)、連接在電阻(R1)和運算放大器(OP AMP)之間的自動調零電容器(CAZ)、充偏移電壓，與電阻(R1)一起對輸入電壓進行積分的電容器(C1)、用剩餘電荷對節點(P)的電壓(Vo)進行放大的電容器(C2)、保存剩餘電荷的電容器(C3)、比較器(CM)和開關(SA-SC，S9-S11)，(3)產生開關(SA-SD，S1-S11)，接收A/D變換核心部(12)的輸出，檢測零交叉，顯示輸出值的數字部(13)。
輸入部(11)的構成，在測量電壓時與圖1(B)所示的原有構成相同;在測量電阻時與圖1(C)所示的原有構成相同。數字部(13)的構成與圖1(D)所示的原有電路的數字部(3)的構成相同。
圖3是與本發明有關的雙斜率積分A/D變換器電路結構路，圖4是控制圖3所示開關等的控制信號波形圖，圖5是與本發明有關的雙斜率積分A/D變換器輸出信號控制波形圖，在自動調零(AZ)時將偏移電壓充入位於A/D變換核心部(12)內的自動調零電容器(CAZ)和電容器(C1)內，在積分(1NT)時通過電阻(R1)和電容器(C1)對輸入電壓(V1 N)進行積分，在第一次微分(DE1)時上述充電電壓作為參考電壓(±VREF)進行放電。然後，在REX時和REST時電流電荷保存在電容器(C3)內，在REX時和X10時該剩餘電荷向電容器(C2)轉移，對節點(P)的電壓(VO)進行放大。
首先說明自動調零(AZ)時的電路結構和動作。A/D變換核心部(12)的輸入端子(HI)通過開關(SA)連接到公用端子(ACOM)上，開關(SB)拉開，開關(S11)閉合。然後，比較器(CM)的輸出通過開關(SC)反饋到負端。
所以，在此情況下電容器(C3)與比較器(CM)的正輸入端互相隔離，因此不會影響電路，TAZ時間內節點(A)的電位(VA)大約等於-VOS1，(VOS1)表示緩衝器(BF)的偏移電壓。電流流過電阻(R1)。這時，節點(P)的電壓(VO)由下式表示。
VO｜TAZ＝(VOS2+VOS3)……(A)另外，在積分(INT)時，圖1(B)所示的開關(S1)閉合，被測輸入電壓(V1 N)被積分。這時利用圖4所示的開關控制信號(AZ，REX)使開關(SA，SB，SC)拉開，在自動調零(AZ)時節點(A，P)的電位(VA)分別為VA＝-VOS1，VO＝VOS2+VOS3。所以，如果加上輸入電壓(V1 N)，則電阻(R1)兩端的電壓就變成(V1 N-VOS1)-VA＝V1 N-VOS1-(VOS1)＝V1 N，於是偏移電壓(VOS1)被消除。這時，假定節點(P)的電位(VO)的變化為△VO，那麼△VO由下式表示。
△VO｜TINT= (VIN)/(R1·C1) TINT……(B)節點(P)的電位(VO)由下式表示。
Vo｜TINT= (VIN)/(R1·C1) TINT+(VOS2+VOS3)……(C)在第一次微分(DE1)時用圖4所示的開關控制信號(DE1)使圖1(B)的開關(S2)閉合。於是，在積分(INT)時由參考電壓(VREF)充電的電荷進行放電，因而進行零交叉。這時，零交叉電位變成自動調零時的電壓VO｜TAZ＝VOS2+VOS3。另一方面，參考電壓(VREF)的極性變成與輸入電壓(V1 N)的極性相反，節點(P)的電位(VO)的變化(△VO)由下式表示。
△VO｜TEFI= (-VREF)/(R1·C1) TINT……(D)零交叉時節點(P)的電位(VO)由下式表示。
VO｜TINT+TDE1＝VO｜TAZ＝VOS2+VOS3……(E)所以，VO|TINT+TDEI=[VINR1C1TINT+(VOS2+VOS3)]]]>+(-VREFR1C1TDEI)=(VOS2+VOS3)(F)]]>因此，如果求能滿足VO｜TINT+TDE1＝(VOS2+VOS3)的時間TDE1，則TDE1等於 (V1N)/(VREF) T1NT，所以，偏移電壓(VOS2，VOS3)可以完全消除。不管輸入電壓(V1 N)和參考電壓(VREF)的高低如何，均可消除偏移電壓，所以可以適用於按比例讀出，即電阻測量。
然後，在REST時利用圖4所示的開關控制信號(REST、X10、REX)使開關(S9、S11、SB)閉合，於是，藉助於零交叉後的節點(P)的輸出電壓(VO)使剩餘電荷儲存在電容器(C3)內。
在X10時，藉助於圖4所示的開關控制信號(X10、X10)使開關(S10)閉合，使開關(S11)拉開。於是，由於電容器(C3)的容量比電容器(C2)的容量大得多，所以電容器(C3)的電荷向電容器(C2)移動，節點(P)的電壓(VO)根據電容器(C3)和電容器(C2)的容量值進行放大。為了利用剩餘電荷使節點(P)的電壓(VO)放大10倍，可以將電容器(C3)的容量增大到電容器(C2)的容量的10倍，即必須使C3等於10×C2。
在此，在X10的情況下，電容器(C3)和自動調零電容器(CAZ)的組合會使節點(P)的電壓(VO)產生擺動，這時擺動電壓又對節點(P)的電壓(VA)產生作用，引起增益誤差。為防止這種現象，利用圖4所示的開關控制信號(REX)使開關(SB)僅在REST時和X10時才閉合，使REX狀態動作。
再者，在第二次微分(DE2)時對已由參考電壓(VREF)放大過的電壓(VO)再次進行微分，提高解析度。
在以上各種變換狀態下開關等的動作狀態如表2所示。
表2.在各種變換狀態下開關的動作狀態
圖6表示與本發明有關的簡單實施方案。
即圖6表示本發明雙斜率積分A/D變換器用於微型計算機控制方式的數字式萬用表時的結構圖。為了執行數字式萬用表的自動測量(Au-to Range)功能，圖中未標出的衰減功能等連接到輸入部(21)上，輸入部(21)的功能隨電壓(V)、電阻(R)，電流(I)等測量方式不同而異。由微型計算機(24)來識別功能選擇信息，改變輸入部(21)的功能。在這裡，電路的結構要保證測量電壓(V)、電阻(R)、電流(I)時的公共點在輸入部(21)內換算成適當的電壓，然後輸出到A/D變換核心部(22)內，由A/D變換核心部(22)進行變換。
由於A/D變換器本身備有參考電壓(VREF)發生器，所以，該參考電壓(VREF)可以加到A/D變換核心部(22)上上，並且可以在外部進行微細調整。
另外，還有這樣的作用;A/D變換核心部(22)對輸入的電壓進行變換，把零交叉時間傳輸到微型計算機接口(23)內，微型計算機接口(23)把微型計算機(24)的各種控制信號傳輸到輸入部(21)和A/D變換核心部(22)內，把A/D變換核心部(22)中發生的信號傳輸到微型計算機(24)內。
微型計算機(24)按照軟體結構發生各種變換狀態，接收和計算零交叉信號，發生數位訊號，或發生可驅動發光二極體(25)進行顯示的信號。
所以，該系統具有能增加以下功能的特點利用微型計算機的軟體結構，對各種測量方式分別產生不同的變換狀態，或者利用運算功能求平均值、最小值、最大值，另外可增加存儲器等的數字功能。
如上所述，本發明雙斜率積分A/D變換器有以下兩大優點，一是不需要零讀出，電路工作速度快;二是用微型計算機控制時減輕了軟體的負擔，用自動調零來消除偏移電壓，所以，不管是哪種測量方式均可消除偏移電壓，構成數字式萬用表，沒有任何困難。
再者，對於3 1/2 位數的一般解析度的A/D變換器，做簡單的結構更改，增加一點邏輯電路，採用自動調零，即可將解析度提高到4 1/2 位數以上。
權利要求
1.一種雙斜率積分模/數變換器，其特徵在於(1)輸入部(11)，(2)接收輸入部(11)的輸出，進行零交叉，然後進行放大、變換的模/數變換核心部(12)，(3)產生控制信號(AZ、INT、DE1、REST、X10X10、REX、DEα)，驅動開關(SA-SC，S1-S11)等，接收A/D(模/數)變換核心部(12)的輸出，檢測零交叉，顯示輸出值的數字部(13)，利用自動調零來消除偏移電壓。
2.如權利要求第1項所記載的雙斜率積分A/D變換器，其特徵在於A/D變換核心部(12)的構成部分是緩衝器(BF)和運算放大器(OP AMP)、連接在緩衝器(BF)輸出端上的電阻(R1)、連接在電阻(R1)和運算放大器(OP AMP)之間的自動調零電容器(CAZ)、被偏移電壓充電並與電阻(R1)一起對輸入電壓進行積分的電容器(C1)、用剩餘電荷來放大節點(P)的電壓(VO)的電容器(C2)、儲存剩餘電荷的電容器(C3)、比較器(CM)和開關(SA-SC，S9-S11)，按照變換狀態進行工作。
3.如權利要求第1項記載的雙斜率積分A/D變換器，其特徵在於開關(S8)動作，防止在REST時(相位)和X10時(相位)電荷向輸入側移動而產生的增益誤差。
4.如權利要求第2項記載的雙斜率積分A/D變換器，其特徵在於在REST(相位)期間剩餘電荷儲存在電容器(C3)內。
5.如權利要求第2項記載的雙斜率積分A/D變換器，其特徵在於儲存在電容器(C3)內的電荷在X10時(相位)向電容器(C2)移動，使節點(P)的電壓(VO)放大。
6.如權利要求1中所述的雙斜率積分A/D變換器，其特徵在於以電容器(C2)的容量比電容器(C3)的容量大得多。
全文摘要
本發明是A/D變換器，由輸入部和A/D變換核心部以及數字部構成，A/D變換核心部接收輸入部的輸出，在零交叉後進行放大和變換，因此，對所有的測量方式均可用自動調零來消除偏移電壓，不需要零讀出，所以這是動作速度快、解析度高的雙斜率積分A/D變換器。
文檔編號G01R15/12GK1065961SQ9110566
公開日1992年11月4日 申請日期1991年8月14日 優先權日1991年4月13日
發明者方三龍, 金錫基 申請人:三星電子株式會社