一個積分型ADC是一種通過使用積分器將未知的輸入電壓轉換成數字表示的一種模-數轉換器。在它最基本的實現中，這個未知的輸入電壓是被施加在積分器的輸入端，並且持續一個固定的時間段(所謂的上升階段)。然後用一個已知的反向電壓施加到積分器
，這樣持續到積分器輸出歸零(所謂的下降階段)。這(zhe)樣(yang)，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)計(ji)算(suan)結(jie)果(guo)實(shi)際(ji)是(shi)參(can)考(kao)電(dian)壓(ya)的(de)一(yi)個(ge)函(han)數(shu)，定(ding)時(shi)上(shang)升(sheng)階(jie)段(duan)時(shi)間(jian)和(he)測(ce)得(de)的(de)下(xia)降(jiang)階(jie)段(duan)時(shi)間(jian)。下(xia)降(jiang)階(jie)段(duan)時(shi)間(jian)的(de)測(ce)量(liang)通(tong)常(chang)是(shi)以(yi)轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)時(shi)鍾(zhong)為(wei)單(dan)位(wei)
，所(suo)以(yi)積(ji)分(fen)時(shi)間(jian)越(yue)長(chang)
，分(fen)辨(bian)率(lv)越(yue)高(gao)。同(tong)樣(yang)的(de)，轉(zhuan)換(huan)器(qi)的(de)速(su)度(du)可(ke)以(yi)靠(kao)犧(xi)牲(sheng)分(fen)辨(bian)率(lv)來(lai)獲(huo)得(de)提(ti)升(sheng)。

 

這種類型的AD轉zhuan換huan器qi可ke以yi獲huo得de高gao分fen辨bian率lv

，但dan是shi通tong常chang這zhe樣yang做zuo會hui犧xi牲sheng速su度du。因yin此ci
，這zhe些xie轉zhuan換huan器qi不bu適shi用yong於yu音yin頻pin或huo信xin號hao處chu理li的de場chang合he應ying用yong。他ta們men通tong常chang的de典dian型xing應ying用yong就jiu是shi數shu字zi電dian壓ya計ji和he其qi他ta需xu要yao高gao精jing度du測ce量liang的de儀yi表biao。

 

========基本設計=======

 

最基本的積分型ADC電路包含：

 

● 一個積分器、

● 一個選擇開關(用來選在被測電壓和參考電壓)、

● 一個定時器(用來決定對被測電壓的積分時間長度和測量參考電壓積分消耗時間)、

● 一個比較器(用來進行過零檢測)
、

● 一個控製器、

● 一個放電開關(這個根據實現形式可有可無
，主要用來對積分電容進行放電，與積分電容並聯)。

 

上麵的所有開關都由轉換器的控製器(通常是微處理器或專用的控製邏輯)，控製器的輸入包括一個時鍾信號(用來測量時間)和一個比較器的輸出信號(用來檢測積分器的輸出是否歸零)

 

轉換過程分兩個階段：上shang升sheng階jie段duan和he下xia降jiang階jie段duan。在zai上shang升sheng階jie段duan
，積ji分fen器qi的de輸shu入ru是shi被bei測ce電dian壓ya，在zai下xia降jiang階jie段duan，積ji分fen器qi的de輸shu入ru是shi已yi知zhi的de參can考kao電dian壓ya。在zai上shang升sheng階jie段duan中zhong，開kai關guan選xuan擇ze被bei測ce電dian壓ya進jin入ru積ji分fen器qi，積ji分fen器qi持chi續xu一yi個ge固gu定ding的de時shi間jian段duan進jin行xing積ji分fen，在zai積ji分fen電dian容rong上shang麵mian積ji累lei電dian荷he。在zai下xia降jiang階jie段duan，開kai關guan選xuan擇ze參can考kao電dian壓ya進jin入ru積ji分fen器qi
，在zai這zhe階jie段duan測ce量liang積ji分fen器qi輸shu入ru歸gui零ling的de時shi間jian。(譯者：總結起來就是先定時積分，再定值反向積分
，測量反向積分時間)，電路如右圖：

 

 

weileshijifenqixiangxiangfanfangxiangjifen，cankaodianyaxuyaohebeicedianyadejixingxiangfan。zaidaduoshuqingkuangxia，ruguobeicedianyaweizheng，namecankaodianyajiuweifu。weilenenggouchulizhengfudianyashurudeqingkuang，xuyaoyigezhengxiangheyigefuxiangdecankaodianya。jutixuanzenayigecankaodianyaqujueyushangshengjieduanjifenjieshuhoujifenqideshuchudianyajixing。yejiushishuo
，ruguozaishangshengjieduanjieshushi
，jifenqishuchushifu
，zexuyaojieruyigefuxiangcankaodianya(譯者：因為接的是積分器的反向輸入端)
，如果積分器輸出是正，則需要接入一個正向參考電壓。

 

積分器輸出的基本公式如下(假設是一個恒定輸入)：

 

 

假jia設she在zai每mei個ge轉zhuan換huan過guo程cheng的de初chu始shi電dian壓ya都dou是shi零ling，並bing且qie積ji分fen器qi在zai下xia降jiang階jie段duan結jie束shu時shi的de輸shu出chu電dian壓ya也ye是shi零ling，我wo們men就jiu可ke以yi得de到dao下xia麵mian兩liang個ge等deng式shi來lai表biao示shi積ji分fen器qi的de兩liang個ge階jie段duan的de輸shu出chu：

 

 

結合上麵兩個等式
，可以解除Vin
，也就是得到了被測電壓的公式：

 

 

從這個公式可以看出，雙斜坡積分ADC的好處之一很明顯：測量結果與電路元件的值(其中的R和C)無關。然而
，這並不意味著，R和C在雙斜坡積分ADC中不重要(下麵將解釋這一問題)。

 

注(zhu)意(yi)到(dao)在(zai)下(xia)圖(tu)中(zhong)，在(zai)上(shang)升(sheng)階(jie)段(duan)電(dian)壓(ya)是(shi)向(xiang)上(shang)升(sheng)高(gao)的(de)，在(zai)下(xia)降(jiang)階(jie)段(duan)電(dian)壓(ya)是(shi)向(xiang)下(xia)降(jiang)低(di)的(de)。在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)
，由(you)於(yu)比(bi)較(jiao)器(qi)使(shi)用(yong)的(de)是(shi)運(yun)放(fang)的(de)負(fu)反(fan)饋(kui)，施(shi)加(jia)一(yi)個(ge)正(zheng)向(xiang)電(dian)壓(ya)Vin實際會使輸出下降，

 

 

所以這裏的“上”和“下”可以理解為積分電容充電的過程。

 

雙斜坡積分型ADC的分辨率主要由下降階段的時間長度和時間測量分辨率(例如控製器時鍾的頻率)來決定的(譯者：也就是速度和分辨率這一對矛盾的原因)。期望的分辨率(用bits數表示) 是滿量程輸入時



，下降時間的最小長度。(Vin = -Vref)

 

 

在滿程輸入的測量過程中，積分器輸出的斜坡在上升和下降階段是相同的(方向相反)。也就是上升和下降階段的時間相等()
，總的測量時間則為

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。因此，滿程輸入的總的測量時間是基於期望的分辨率和控製器的時鍾頻率的。

 

如下式：

 

舉個栗子：如果期望得到16bits的分辨率，控製器時鍾頻率是10MHz，那麼測量時間計算下來就是13.1ms(也即是每秒鍾76個采樣)。采樣時間可以靠犧牲分辨率得到改善。如果分辨率降低到10bits，那麼在同樣的10MHz的時鍾頻率下
，測量時間就降低到僅為0.2ms(每秒鍾4900個采樣)。

 

========局限性=======

 

雙斜坡積分型ADC有幾個局限。對於基本的雙斜坡ADC來說，靠使用更長的測量時間或更高的時鍾頻率來任意提高分辨率是不可能的。分辨率被以下條件所限製：

 

1. 積(ji)分(fen)器(qi)運(yun)放(fang)的(de)範(fan)圍(wei)。運(yun)放(fang)的(de)軌(gui)電(dian)壓(ya)限(xian)製(zhi)了(le)積(ji)分(fen)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。長(chang)時(shi)間(jian)的(de)積(ji)分(fen)器(qi)輸(shu)入(ru)會(hui)導(dao)致(zhi)輸(shu)出(chu)被(bei)限(xian)製(zhi)到(dao)一(yi)個(ge)最(zui)大(da)值(zhi)
，是(shi)的(de)任(ren)何(he)基(ji)於(yu)下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian)的(de)計(ji)算(suan)都(dou)沒(mei)有(you)意(yi)義(yi)。因(yin)此(ci)
，應(ying)基(ji)於(yu)運(yun)放(fang)的(de)軌(gui)電(dian)壓(ya)
、參考電壓和期望的滿程被測電壓來小心地選擇積分器的電阻和電容

，並且最長的上升時間也應滿足期望的分辨率。(譯者：實際就是講積分器飽和的問題，後麵的電荷平衡技術將解決這個問題)

 

2. 作為過零檢測的比較器的準確度。寬帶電路噪聲限值了比較器精確檢測積分器輸出歸零的能力。Goerke建議一個典型的限製是比較器分辨率1mV。

 

3. 積分電容的品質。盡管積分電容不需要完美的線性
，但卻需要時間恒定(time-invariant)。介電吸收(Dielectric absorption)會導致嚴重問題。(譯者：個人認為此處應為介質吸收。取一個數值較大的鉭電容，充電到10V左右，用一個100Ω的電阻即刻跨接在它兩端，迅速放電。移去電阻，用高阻抗的電壓表觀察電容兩端的電壓，可以看到電容又充電

，幾秒後達到1V左右。介質吸收現象可能與介質表麵的殘留極化有關。所以積分型ADC的電容應選擇高質量


、低介質吸收的電容，如特氟龍介質)

 

========改善=======

 

基本雙斜坡積分型ADC的設計在轉換速度和分辨率方麵有限製。很對針對基本設計的修改在某種程度上解決了這些問題。

 

針對上升階段的改進

 

改進的雙斜坡

 

基ji本ben雙shuang斜xie坡po設she計ji的de上shang升sheng階jie段duan會hui將jiang被bei測ce電dian壓ya固gu定ding積ji分fen一yi段duan時shi間jian。也ye就jiu是shi說shuo，它ta最zui終zhong會hui在zai積ji分fen電dian容rong上shang建jian立li一yi個ge不bu確que定ding的de電dian荷he量liang。下xia降jiang階jie段duan測ce量liang這zhe個ge不bu確que定ding的de電dian荷he來lai確que定ding被bei測ce電dian壓ya。對dui於yu一yi個ge滿man程cheng輸shu入ru，測ce量liang時shi間jian的de一yi半ban會hui被bei花hua費fei到dao上shang升sheng階jie段duan。對dui於yu更geng小xiao的de輸shu入ru
，相xiang對dui總zong測ce量liang時shi間jian的de一yi個ge更geng大da比bi例li的de時shi間jian會hui被bei花hua費fei到dao上shang升sheng階jie段duan。所suo以yi，減jian少shao花hua費fei到dao上shang升sheng階jie段duan的de時shi間jian可ke以yi顯xian著zhu降jiang低di總zong的de測ce量liang時shi間jian。(譯者：此處以圖示似乎更容易說明問題。見下圖)

 

 

一(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)減(jian)少(shao)上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)的(de)方(fang)法(fa)就(jiu)是(shi)增(zeng)加(jia)充(chong)電(dian)電(dian)荷(he)的(de)積(ji)累(lei)速(su)度(du)，這(zhe)可(ke)以(yi)靠(kao)減(jian)少(shao)輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)值(zhi)來(lai)實(shi)現(xian)。這(zhe)依(yi)然(ran)是(shi)要(yao)積(ji)累(lei)同(tong)等(deng)數(shu)量(liang)的(de)電(dian)荷(he)
，隻(zhi)是(shi)需(xu)要(yao)的(de)時(shi)間(jian)更(geng)少(shao)。在(zai)下(xia)降(jiang)階(jie)段(duan)使(shi)用(yong)同(tong)樣(yang)的(de)算(suan)法(fa)，參(can)考(kao)右(you)圖(tu)，則(ze)得(de)到(dao)下(xia)麵(mian)的(de)公(gong)式(shi)：

 

 

與yu基ji本ben雙shuang斜xie坡po積ji分fen轉zhuan換huan器qi不bu同tong，此ci等deng式shi與yu積ji分fen電dian阻zu有you關guan。或huo者zhe，更geng重zhong要yao的de是shi，它ta與yu兩liang個ge積ji分fen電dian阻zu的de比bi值zhi有you關guan。這zhe種zhong改gai進jin方fang法fa不bu能neng改gai進jin轉zhuan換huan器qi的de分fen辨bian率lv(因為它沒有解決上麵提到的分辨率的限值)。

 

 

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