四十年来,双斜率积分A/D转换已经成为大多数数字万用表和许多工业和仪器应用的核心。双斜率模数转换器结合了模拟积分器、比较器和控制逻辑,将输入信号Vin以固定的时间间隔T1进行累积(积分)——构成第一个“斜率”,然后将积分器的输入切换到一个固定的负参考Vref,使被积函数退回零——第二个“斜率”,同时测量这样做所需的时间T2。输入电压为:

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本设计对常见的算法做了一些修改:简单地颠倒信号和参考积分的顺序,产生我所说的倒数双斜率积分ADC(RDSADC)。

这里,对Vref按固定的时间间隔T1进行积分。然后将积分器输入切换到-Vin,并测量回降到零所需的时间T2。从而:

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看到这么两个相似的方程,你可能会理所当然地问:“那又怎样?”看下面:

在公式2中,转换结果与时间测量值T2成反比,因此与1/Vin成反比,并且微分计算告诉我们,逆向变化率在变,但不是线性的,而是测量值倒数的平方,即:

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这种设计的好处是实现了非线性转换测量,它可以保持低幅度输入的高分辨率,而不需要Vin比例系数的自动量程切换。图1是RDSADC的一个实现示例。它在10位分辨率、1mV到1V范围,对输入进行转换,同时在下面两种极端情况下保持10位分辨率:Vin=1V、1mV分辨率;Vin=1mV、1μV分辨率。这意味着对T2,只需15位、32k计数分辨率,就可实现1000000:1、20位的动态范围。换句话说,只要15位计数就可实现20位动态范围,与分辨率类似的传统DSADC相比,转换时间效率提高了32倍。实际上,Vin可从比0V小点一直到5V(分辨率随之降低)。

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图1: RDSADC颠倒了通常的积分顺序,以大幅增加动态范围。

它是如何工作的:

RDSADC周期开始于S1通过R4/(R3 + R4)分压器将Vref连接至积分器A2的“+”输入(引脚3),并在时间间隔T1期间积分,在V2 = Vref时结束,并将比较器A1输出切换为低。

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图2:RDSADC时序图。

S1让A2的“+”输入掉至接近参考地(稍后更低些),而S2则通过R1将A2的“-” 输入切换至接近Vin。然后V2以几乎与Vin成比例的斜率下降,确定计数间隔T2。V2到达A1的低门限时,终止T2,完成该ADC周期并开始下一个周期,不断循环。

聪明的读者会注意到,在T2期间,当S1从A1的“+”输入中剔除Vref时,R5产生了一个42mV的正偏压。这种偏置的目的是,尽管使用单极性电源,也要使A2的输出一直到T2斜线的末端都保持有效。

同样在T2期间,R2也产生了有效的32mV偏置1,以确保T2保持有限时长(从不超过32ms),即使Vin接近零也是如此。从而:

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这种理想化的计算忽略了现实中的偏差,如A1和A2输入偏移、Vref精度和电阻变化,但这些缺陷可以通过简单的Vfullscale和Vzero两点校准以计算方式轻松补偿。

1: 32mV来自R1-R2对2.5V的Vref(50mV)的分压,它为Vin/20kΩ输入电流提供1.6μA(32mV/20kΩ)的偏置电流,减去分压器R3-R5(18mV)提供的“保持有效(keep-alive)”偏置。因此,50mV - 18 mV = 32mV。

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