理解双斜率积分式ADC电路心得

fix2010

手头的一台数字万用表不大精准了，因此想自己进行调校。
在此过程中，牵涉到数据采集变换系统的内容，由此引发对双积分ADC的浓厚兴趣。
偶然在Youtube上找到关于Hp的早先多用表的视频，10'23"作者在里边详细讲到上述内容，而且还用电路模拟器制作了相关电路，让大家理解起来相当方便容易。
以下是我的理解，不对的地方请各位先进不要笑话俺：



①t0时刻，序列发生器在时钟第一个时钟上升沿被触发，Q端输出高电平，使模拟开关K2闭合；
②被测Vin 6V通过R对C充电（也就是对被测电压积分），比较器“-”端电位上升，输出保持低电平；
③充电经过一个时钟周期（10ms）到t1时刻结束，此时电容器两端由0电位充电到未知电位Vx；
④同一时刻，序列发生器进入低电平输出，关断模拟开关K2，使与门1输出高电平，使K1吸合；
⑤此时电容对参考电压“-1V”进行放电（也就是反向积分）；
⑥与门2得到与门1输出的高电平，在时钟脉冲在驱动下，对放电时间进行计数（几个时钟脉冲）；
⑦直到t2时刻电容放尽之前充入的电量，左端对地电压恢复到0V略下，致使比较器输出高电平，进而与门1输出翻转为0，致使与门2停止对时钟脉冲的响应，输出为0，计数器停止计数；
⑧此时数码管显示的计数即为Vin电压值。

⑨这些可以理解为：
一个在地上的空杯子，在某个未知高度的水源向其注水一段固定的时间T1后，再通过低于杯子的已知高度的地方放水（使用同样的管子，即阻力相同），直到放尽时记下用时T2；
⑩因为对水杯注水、放水量是高度（压力）、时间的函数，而且成比例，所以最终可以通过时间比及已知高度得出未知高度值。
但需要知道的前提条件是，注水时间的选择（即高度、管路阻力）不能使水杯水溢出，否则就失准了。
所以，积分电阻、电容的选择直接影响到被测电压的最大值，及对噪声的敏感度。

视频作者用到的JavaScript Applet都在视频说明栏里，也可以点击：Simulation: Dual slope integrating ADC。
话说这款小巧的电路模拟器真的很强大，而且它包含了好多样例，囊括了基础电学、数模电路等等，对电学爱好者更好地理解电路理论知识。
在此感谢作者的无私奉献！

SIMON1016

Q=VC=IT
當電容C 被 電流 I  充電比較電壓相等時  時間T計數  即為量化值(量化轉換)

這當中  電容要精確  電流要精確   將不穩定因子(溫度等等)納入考量時  量化值會生出偏差
以單斜率积分  就是這麼一回事
相對而言   雙斜率积分 就是充電/放電 兩斜率做相除  
前述的不穩定因子 同現於分子分母  而得到抵除

也就是說  電流電容 只要充電/放電 當次周期間  維持固定  不穩定因子K1
過段時間 不穩定因子K1 變異成K2  量化值是不變的

這是工程策略  對數學上的觀念應用
創造條件  將某因子 同時出現在分子分母  它的效應會得到抵除

fix2010

SIMON1016 發表於 2023-8-17 12:58 PM
Q=VC=IT
當電容C 被 電流 I  充電比較電壓相等時  時間T計數  即為量化值(量化轉換)

嗯，感谢老大的点赞，感谢Simon大的深入解说。

想问问Simon大，那积分电容的特性会不会对正反向两次积分带来差异，或者説不稳定因子呢？
之所以这么问，俺手边的UT71D 采用的是承永资讯的ES51996F A/D 芯片。目前遇到的问题是，正反测量的电压结果略有差异。
这是否是积分电容的特性不大好呢？但网络上有网友称双斜积分ADC中，积分电容的这种正反特性差异不会影响到上述结果的，是真的么？





如果我想重新选择积分电容，应该选CBB型电容？还是其它更好材料的电容？要什么牌子的？
一些其它材料的电容特性好，比如云母电容。但相同容量的体积大，引脚间距大，这些问题估计也会带来其它问题的吧，比如其内在电感、电阻不如小体积电容，又比如体积大可能接收的噪声、干扰问题？

ES51966.PDF (501.92 KB)

2023-8-17 03:38 PM 上傳

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ADC芯片

voltcraft_dmm_vc920_960_sch.pdf (231.72 KB)

2023-8-17 03:38 PM 上傳

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UT71D电路图

顺带附上UT71系列万用表的校正方法：

进入校准模式：
关机状态按住EXIT键和蓝色功能键不放，打到要校准的功能，听到蜂鸣器一短一长响声后放开，跟平时正常用显示没有任何区别。
校准方法：
输入对应值，按一下HOLD听到蜂鸣器短鸣后校准完成（长鸣为输入值不对），继续输入下一个值，重复上一步，直至该功能校准完成，关机，继续校准其它功能档。电阻0Ω校准比较特殊，按REL校准0Ω，其它同上；电压高压部分可以不校，直接关机。
直流电压档校准：四个校准电压，分别为1.9V、19V、190V、700V；
交流电压档校准电压：1.9V、19V、190V；
电阻档：0Ω、190Ω、1.9KΩ、19KΩ、190KΩ、1.9MΩ、19MΩ

最后，愿老大睡眠质量转好，祝各位前辈身体安康！

SIMON1016

不會有問題 雙斜率就是針對积分電容 電感性(對頻率) 溫飄 來的
有感型結構 在高低不同頻率的差異   已被雙斜率克服
在這裡砸大錢 是無用功   選用基本金屬薄膜即可  不需升級使用無感型結構


正反测量的电压结果略有差异。
這可能是 零點對齊產生偏移
原因很多  OP的cross交越失真   計數bug (例如 ICL7135 就有這問題   臨時翻不到資料 )
沒法具體幫你

xiaolaba

以前玩過sigma- delta 的軟件adc 用mcu的io對電容充放電 也是看到類似的解說 當時還不明白原理和除法消因子的關鍵

阿明先生

xiaolaba 發表於 2023-8-18 08:01 AM
以前玩過sigma- delta 的軟件adc 用mcu的io對電容充放電 也是看到類似的解說 當時還不明白原理和除法消因子 ...

沒錯啦，以前的8051內部沒ADC，想要ADC需要外加一顆ADC0804的IC做ADC轉換器，這顆類比數位轉換IC的ADC是八位元，轉換速度又很慢，有些人乾脆自己做ADC，用8051的IO腳控制電容每次的充放電，用恆定電流充電容，產生的斜率電壓，跟輸入電壓做比較 ，計算兩電壓相等時間，8051算出輸入電壓。

不過現在的增強型8051，內部都有高解析度高速的 ADC，應該沒人有興趣自己做ADC電路。

上網找一下資料，蝦皮購物網站，STM32F103C8T6 開發板，內部含有2x ADC（12位/16通道），售價只有88元，這顆微控器是ARM32位元CPU，STM32仿真編程燒錄器也是賣88元，可用arduino語言及C語言的編譯器寫程式

fix2010

SIMON1016 發表於 2023-8-17 05:15 PM
不會有問題 雙斜率就是針對积分電容 電感性(對頻率) 溫飄 來的
有感型結構 在高低不同頻率的差異   已被雙 ...

谢谢simon大的释疑，有您的指点俺就不折腾了。反正差异也不算大。
老表一个，况且通过几次校准，偏差还能接受。日常应用也足够了。

fix2010

阿明先生 發表於 2023-8-18 11:48 AM
沒錯啦，以前的8051內部沒ADC，想要ADC需要外加一顆ADC0804的IC做ADC轉換器，這顆類比數位轉換IC的ADC是 ...

是啊，现在的MCU自带的ADC精度也挺高的。科技进步带来的好处。
谢谢各位大大的回复！