为什么积分电路能取出输入信号正相侧的平均值电路?

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多点信号平均器
近​代​物​理​实​验
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长时间无零漂积分器中的单元积分电路71
第29卷第6期;2006年6月;核技术;NUCUiARTECH卜ⅡQUES;、b1.29.No.6;June2006;长时间无零漂积分器中的单元积分电路;徐四九1’2苏弘1李勇1,2李素琴1,2千奕1,;1(中国科学院近代物理研究所兰州730000)2;摘要本文论述了应用在长时间无零漂积分器中的单元积;积分器是托卡马克装置中一种常用的测量设备,用于超;传统模
第29卷第6期2006年6月核技术NUCUiARTECH卜ⅡQUES、b1.29.No.6June2006长时间无零漂积分器中的单元积分电路徐四九1’2苏弘1李勇1,2李素琴1,2千奕1,2吴鸣1,2彭宇1,21(中国科学院近代物理研究所兰州730000)2(中国科学院研究生院北京lo0049)摘要本文论述了应用在长时间无零漂积分器中的单元积分电路的原理与设计。该电路结合了零点补偿和基于斩波思想的分段积分两项技术,主要解决传统模拟积分器存在的积分零漂问题,使积分零漂减小到极低的水平,积分1000s绝对积分零漂典型值为16.7mV,同时也改善了由于积分泄漏引起的非线性误差。该电路的研制完成为进一步设计用于托卡马克装置上电磁测量的长时间积分器系统奠定了基础。关键词积分电路,极低漂移,零点补偿中图分类号TN722.5+91积分器是托卡马克装置中一种常用的测量设备,用于超导托卡马克装置放电实验中电磁测量诊断信号的测量,例如等离子体电流和位移的测量等。而长时间(达到千秒量级)的低零漂积分器更是超导托卡马克装置急需的测量设备。基于这种需求,我们开展了一些研制工作,在长时间积分器电路研发方面做了一些十分有意义的探索和试验。传统模拟积分器【l】在长的时间内实现准确的积分运算,存在较多问题。积分零漂和积分输出饱和是制约积分电路长时间工作的两个重要因素。由于实际运算放大器存在输入失调电压、输入失调电流、输人偏置电流和温度漂移,它们会在积分电路的输入端叠加一直流电平,该电平在积分电容上积分,使积分电路输出偏离基线。随着时间增长,偏离值增大,这便是积分电路的积分零漂。积分零漂明显时,会造成积分电路输出饱和,它们严重影响了积分电路的积分精度和输出值的动态范围。其次,积分电路的积分泄漏也同样制约着积分电路的长时间工作。电路中的积分电容本身存在泄漏电阻,同时积分运放的输入电阻也可以看作是一个泄漏电阻,这些泄漏电阻会给积分电容提供放电回路,从而引起积分泄漏,造成非线性误差。而当前国外同类型的长时间积分器主要采用的是模拟、数字或模数相结合的几种技术方法,千秒内的绝对积分零漂基本被抑制在几十毫伏以内【2~。针对这些存在的问题,并总结前人的经验,我们设计出了单元积分电路,通过实验室的初步测试,取得了较好的效果,主要性能指标达到了我们预期的目标,积分1000s绝对积分零漂典型值为16.7InV。该单元积分电路是长时间积分器系统的核心硬件模块,它的研制完成为将要研制的长时问积分器系统的整体设计奠定了良好基础。1基本原理和主要技术为了把积分零漂降到最小,电路设计过程中我们结合了零点补偿和基于斩波思想的分段积分【51两项技术。零点补偿法主要是从硬件上实现的,它又分静态粗补偿和动态细补偿,如图1所示。静态粗补偿是由运放A,完成的,A。和积分运放‰是同一型号的运放,并且性能指标相近。运放A。被接成反相放大形式电路,其输入接地,输出通过调零电位器PR接入到舢的反相输入端,这样运放Al和舢的输入失调电压、输入偏置电流和温漂效应会得到相互抵消,初步减少由这些量引起的积分零漂。采图1单元积分电路原理图Fig.1Schematicdiagr姗ofttleintegrationcen第一作者:徐四九,男,1982年出生,2004年毕业于中国地质大学,现为中国科学院近代物理研究所核技术与应用专业研究生收稿日期:2005一12一08,修回日期:2006一02.28万方数据核技术第29卷用此静态粗补偿可初步将积分零漂降低一个数量级以上。动态细补偿是基于采样/保持(s/H)电路来实现的f6】。S/H运放SMPll在非积分态(积分电路输入接地即输入信号被断开)时,取出积分运放‰经过静态粗补偿之后仍然存在的输出失调电压,并在积分态时通过继电器开关反馈到‰的输入端,同时在积分态期间S/H运放持续保持H态,相当于和‰的输出断开。采用动态细补偿后可进一步将积分零漂再降低一个数量级以上。基于斩波思想的分段积分技术就是把整个千秒的积分时间段分为若干积分时间段,每段时间可为几秒(本电路取5s),最后把获得的各段积分输出值累加便是最后的积分总输出值。积分泄漏值是与时间的二次方成正比的,时间越长积分泄漏值越明显,因此分段积分法可以减小由积分泄漏引起的非线性误差。分段积分主要是通过运行相应的软件算法来实现,利用控制模块中的程序控制继电器开关组来完成。需要指出的是,在每两个积分态段中间插入一个短暂非积分态段,其间主要完成两项任务,其一,完成积分电容的复位归零;其二,S/H运放取出积分运放知的输出失调电压,从而实现动态的补偿。主要模拟器件的选择同样会影响到积分电路的性能指标。本电路采用的积分运放是超精度运放OPl77,其输入失调电压典型值20¨V,输入失调电流典型值O.3rA,平均输入温漂典型值0.7uV/℃。积分电容采用的是具有低泄漏电流的聚苯乙烯电容,同时用继电器开关DS2Y替代了模拟电子开关,以避免由于模拟电子开关自身存在的泄漏电阻而造成的积分泄漏。2主要性能指标要求(1)积分时间:≥1000s(2)积分常数:标准9.78IIls,其他2-_20ms(3)工作温度:室温(4)绝对积分零漂典型值:16.7mV(积分时间1000s)(5)绝对积分零漂最差值:29.7InV(积分时间1000s)3实验室测试在实验环境下,我们对研制的单元积分电路进行了性能测试,测试的主要内容为积分零漂。基本的测试思想是在性能指标要求的实验条件下进行测万方数据试以获取测试数据,并与性能指标要求值比较,来检验我们研制的单元积分电路的低零漂性能。测试中,积分电路的积分常数取为9.78nls,积分时间1000s,工作温度室温。测试采用直接测量和间接测量两种方法,主要测试所用仪表为7075di舀talv01tIneter。3.1积分单元电路输入为零时积分零漂的直接测量这时积分电路积分输出的值便是绝对积分零漂值【4]。单元积分电路加电预热20IIlin后,进行50次积分测试,每次积分1000s,获取的部分数据如图2所示,分析结果见表l。由图2和表1可见,我们研制的单元积分电路绝对积分零漂典型值为16.7rIlv,积分零漂【4】(等于绝对积分零漂乘以时间常数)典型值为163.33“VS,低于性能指标提出的最大要求。3.2积分单元电路有大电平输出时的积分零漂的间接测量在积分电路的输入端施加一恒定电平,测量其图2直接积分零漂测量Fi晷2D如ctdriftmeaSurements表1直接积分零漂测量TaMelDlfectilriftme嬲llrements绝对积分零漂积分零漂垒璺!竺!坚堕璺堕型!翌∑三塑垒!坚∑!最小Min5.856.72典型聊16.7163.33最大Ma)【29.7290.47输出值。积分电路输出的理论值(等于恒定电平K第6期徐四九等:长时间无零漂积分器中的单元积分电路465――――――――――――――――――――――――――――――――――――一――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一与持续时间丁的乘积除以积分常数,即Ⅵ×撇c)与积分电路实际输出的积分值之间的差值被定义为积分零漂。在积分电路3种输入脉冲值(即Ⅵ×丁)情况下,各测试了5次,获取后的数据进行了平均运算,如表2所示。单元积分电路的平均零漂值基本接近性能指标提出的最大要求。表2间接积分零漂测量1table2王ndirectdril.tmeasuremems输入脉冲值Inputpulses理论积分输出Theoreticalintegration实际积分输出平均值(5)Average绝对积分零漂平均值(5)AVerageof积分零漂平均值(5)AVerageofdrifc(5)ofpractical!望盟!22.19347.549Q坠虫旦垡!2.26824.8619垫!!£堕生竺翌竺旦望旦丛三型!2.24284.8343垒垒!旦!坠堡堑垒堡型里!―――尘!旦―――一25.427.6248.41269.93箜:鱼!Z垒:Z!!兰垒:鱼!垄1.oNG兰!:i一呈!塑!――of4结论与未来工作我们研制的单元积分电路在实验室条件下检验,工作稳定可靠;设计合理,积分电路的开始和终止工作分别由两路,r】几电平信号控制;操作方便,整个电路只设有一个调零电位器PR。但是该电路同样存在问题,由于在两个积分态段间插入了一个短暂非积分态段,而并非是对输入信号的完全连续积分,从而造成了一定的输入信号丢失。引起非线形误差,这也是我们将进一步研制长时间积分器系统的原因。在长时间积分器系统中,我们将会采用两路已研制的单元积分电路作为其核心硬件模块,交替式地对输入信号积分,以达到连续积分的效果。参考文献l65432S螂bai.Fund锄entalsAn如gElec证.onicTech―nique.2nded.B嘶ing:Hi曲erEduc撕onPress,1988.353―_388Pascals,De厅asneP,ManinaIldonG,露盘』.Fusionen百neeringdesigIl,v66―68,September’2003,22ndSymposiumfusi彻tecllllology:953―957JD,S妇itEonBroeschJ,SniderRT,鲥以f.ProceedingsofSyInposiumfusionengiIle耐ng,V1,1995:365―368S廿试tEJ,BmeschJD,SnjderRT,甜口f.RevSdIns廿'1997,68(1):381陈曦,尹富先.系统工程与电子技术,2001,23(7):18―20.62CⅢNXi,ⅥN18―-20.62Fuxian.SystEngElecⅡUn,200l,23(7):胡思明.电子技术,1996,44(2):28―29HUSiIIling.Elec仃onTech,1996,44(2):28―29童诗自.模拟电子技术基础.第二版.北京:高等教育出版社,1988.353―388AnintegrationceUofIongxUSijiul,2SUHon91pu№:iIltegratorwithultra-lowQL埘Yil’2WUMin91’2driftPENGYul'2UYbn91,2USuqinl'2l《沁矗tule西ModemP母sics.me2(Gr口dI‘mechineseAcda∞哆o|sciences。£nnz}loH730000。ChtM)sch00l对theChineseAc甜e啤西scte眦es.Be日ing100049.CM船)Abstractnlispaperin廿oducestllep血cipleaIlddesigIlofaIldanewintegmtioncdlfora10ngpulse试te铲ator谢mul?廿a.10w“ft.Basedona11dprinciplesofzerocompens撕onchopper'meilltegrationcellwasdesignedaIlddeVeloped,integrationofait砸1lbeusedtoconsdmte卸integrator’tocomplete10ngdurationofplllseuptoonemousalldsecondonⅡlehasu1缸a_lown01llinearsupe卜conductingtok锄afacility.Comparedva【ueofwi出the船didonalallalogintegrator'misintegmdonceUdriR砸t王lcausedbyatypicalabsolute越ft16.7IIl'v'whenmedmeconst锄tis9.78ms.Secondly'itSerrormec印acityleakagewasalsoweudiIIlinished.KeywordsCI。CIntegrationcell,Ul昀一10w㈦ft,zemcompensationTN722.5+91万方数据包含各类专业文献、高等教育、外语学习资料、各类资格考试、行业资料、应用写作文书、中学教育、长时间无零漂积分器中的单元积分电路71等内容。
 积分电路是模拟计算机、积分型模数转换电路的基本 单元之一,是实现电压比较、波形转换、波形振荡、触发器工作以及实现各种自动控制 电路的关键环节,在控制和测量系统中...  摘 要 积分电路是模拟计算机及积分型模拟转换等电路的基本单元之一 ,用途十分广泛, 从延迟、移相、波形变换到数模转换器将电压量转换为时间量等 ,无不与之有关...  各单元电路的具体分析 5 1. V/F 压频转换 V/F...该电路中通用运算放大器 741 被接成积分器的形式。...2. 时间积分电路(单稳电路) 时间积分电路采用 NE...  所示,各端子相对于地的电压及端子 电流如图中所示。...的零漂 电压,这个电压随时间变化,该现象称为积分...脉冲单元电路的主要形式 (1)施密特触发器 (2)单...  由于积分中包含了该运算放大器的 DC 误差项,因此该电路 通常不会在直接信号链...出现在运算放大器非反相输入端的偏置电压为 INA 输出时将维持零输入的电压。 ...  调零电位器:100KΩ 1 片 75LS08 电阻、电容:...六 各单元电路的具体分析 1 V/F 压频转换 V/F...(1) 741 组成典型积分电路, 将输入电压进行积分, ...  数字积分器_电子/电路_工程科技_专业资料。数字积分...六、单元电路设计 (一)基本运算电路 原理与说明: ...输出仍有一定数值的零 漂电压,这个电压随时间变化,...  12.积分调节器中电路的输出量与输入量对时间的积分成正比。 13.电压比较器抗...A.放大倍数越稳定 B.交流放大倍数越大 C.抑制零点漂移能力越强 D.输入信号中...  模拟输入信号 0~10V, 积分时间 1~10 秒,步距 1...0.1μ F*3 100μ F*1 调零电位器:10KΩ ...脉冲单元电路 用来产生、变换、真心脉冲信号的电路 3...长时间无零漂积分器中的单元积分电路_图文_百度文库
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长时间无零漂积分器中的单元积分电路
长​时​间​无​零​漂​积​分​器​中​的​单​元​积​分​电​路
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58AD转换电路的外特性研究
北京交通大学;数字电子技术研究论文;A/D转换电路的外特性研究;――分辨率为32位、转换速度为10ns;的A/D转换电路的设计思路;专业:;学号:学生:;指导教师:;电信学院自动化黄静侯建军;2012年12月;目录;一A/D转换的基本原理.............;二A/D转换的过程...............;三当前的几种较为常见的A/D
北京交通大学数字电子技术研究论文 A/D转换电路的外特性研究――
分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路的设计思路 学专
生:指 导 教 师: 电信学院 自动化
黄静 侯建军2012年12月 目录 一 A/D转换的基本原理.................................................................................................... 1二 A/D转换的过程........................................................................................................... 2三 当前的几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究 ..................................................... 23.1积分型A/D转换器原理及外特性 ......................................................................... 33.2逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性 ........................................................... 33.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性 ........................................................... 43.4 过采样Σ-Δ型AD转换电路的原理及外特性 ......................................................... 43.5流水线型AD转换电路的原理及外特性................................................................ 43.6几种AD转换电路的外特性比较 .......................................................................... 6四 设计一个分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路(不计成本) .................. 64.1通过对上述A/D转换电路外特性的研究确定设计思路.......................................... 64.2闪烁型A/D转换电路的设计思路 ......................................................................... 74.3流水线型A/D转换电路 ....................................................................................... 7五 对其未来发展的展望................................................................................................. 105.1工艺不断改进,结构不断化简,功耗降低 .......................................................... 105.2转换速度不断提高,在高速下尽可能地提高分辨率 ............................................ 10六 总结 ......................................................................................................................... 10
A/D转换电路的外特性研究――
分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路的设计思路 黄静北京交通大学电子信息工程学院
自动化1003班摘要:本文从基本原理,转换过程,实现技术和发展趋势等几个方面来介绍A/D转换电路,着重研究几种电路的外特性,并且对设计一个分辨率为32位、转换速度为10ns的A/D转换电路(不计成本)提出并行比较型和流水线型电路两种设计思路,并对其未来进行展望 关键字:外特性 流水线型A/D转换电路
并行比较型A/D转换电路 转换速度 分辨率 正文生活之中你是否常常有这样的疑惑,为什么优美的音乐能够从小小的mp3中播放出来,我们的话语能够由一根小小的电话线传播,小小的相机能够存储住我们美好的时光。我们常常说人类社会正在步人信息时代,而信息时代的一个重要标志就是数字化。得益于计算机技术的发展,数字信号处理起来要比模拟信号方便得多,人们更愿意将模拟信号转换成数字信号来处理。作为数字信号和模拟信号之间的桥梁,A/D转换器当仁不让成为数字化的核心一、A/D转换的基本原理A/D转换的过程是将模拟输入信号转换成N位二进制数字输出信号的过程。若模拟参考量为R,则输出数字量D和输入模拟量A之间的关系为 D≈ A/R其原理类似于用天平测量质量,数字D永远不能精确地表示被测物体质量mx,而只能以一个最小砝码mmin的精度去逼近,mmin称为量化单位。无论mmin多小,总不能是无穷小,由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差。 图1 天平模型
图2 量化误差二、A/D转换的过程A/D转换可分为4个阶段:即采样、保持、量化和编码。采样就是将一个时间上连续变化的信号转换成时间上离散的信号,考虑到模数转换器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响,采样频率一般取2.5~3倍的最高频率成分。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号,虽然逻辑上保持器是一个独立的单元,但是,实际上保持器总是与采样器做在一起,两者合称采样保持器。。采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码,量化是将时间连续、数值离散的信号转换成时间离散、幅度离散的信号;编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。到此,也就完成了A/D转换,这些过程通常是合并进行的。三、当前的几种较为常见的A/D转换电路的外特性研究速度和精度作为A/D转换电路的最重要的两个外部特性,研究不同电路的速度和精度,我们会发现这两者之间又有什么内部联系呢?3.1积分型A/D转换器原理及外特性积分型A/D转换技术是目前最常见的技术,它有单积分和双积分两种转换方式,单积分型A/D转换电路转换精度不高,所以现在已经基本被淘汰。双积分型A/D转换电路通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。
图3 积分型A/D转换器与此同时,在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数,从而实现A/D转换;双积分型转换器通过对模拟输入信号的两次积分,部分抵消了由于斜坡发生器所产生的误差,提高了转换精度。 双积分型转换方式的外特性表现为精度较高,转换速度慢,能够大幅抑止高频噪声。双积分型转换方式是一种将模拟量转化为时间量,再从时间量转化为数字量的间接转换方式,并且由于积分电路的响应是输入信号的平均值,所以它具有较强的抗干扰能力,另外在两次积分内,只要RC元件参数不发生瞬变,转换结果 就与RC无关,故分辨率相对较高,最高可以达到22位。由于积分电容的作用,能够大幅抑止高频噪声,是的电路的抗干扰能力强。但是,正是由于它是一个以时间量作为中间变量的电路,故当分辨率的要求增加时,其转换的时间必然会增加,故要提高其转换速度必然会牺牲精度。目前每秒100-300次(SPS)对应的转换精度为12位。所以这种转换方式主要应用在低速高精度的转换领域,如数字仪表领域。3.2逐次比较型A/D转换电路的原理及外特性逐次比较型A/D转换器的工作原理可以用天平测量质量来比较,设被测物的质量在量程内,根据优选法,先去最大的砝码(相当于满量程的一半),看天平如何倾斜,已决定该砝码的去留;然后依次取四分之一量程,八分之一量程等的砝码,最终可以以最小砝码逼近被测质量。类似的,它是将需要进行转换的模拟信号与已知的不同
图4 逐次比较型A/D转换器的参考电压不断进行比较,1个时钟周期完成1位转换,N位转换需要N个时钟周期,转换完成,输出二进制数。逐次比较型A/D转换电路的外特性表现为转换速度中等,精度较高,输入带宽较低。由其转换电路的原理可知,其分辨率要求越高,则所需要的时钟周期就越多,故分辨率分辨率和转换速率是矛盾的,要提高分辨率就必然牺牲转换速率。由于该电路中有数模转换器,故当精度要求不断提高时就需要相应分辨率的模数转换器,而这相对难于实现,所以其分辨率的高也是在一个相对的范围内。当分辨率低于12位时价格低,采样速率可达1MSPS。故其适用于中速率而分辨率要求相对较高的场合,并且与其它A/D相比,功耗相当低。3.3并行比较型A/D转换电路的原理及外特性并行比较器也称Flash(闪烁型) ADC,是一种包含各类专业文献、专业论文、文学作品欣赏、行业资料、生活休闲娱乐、中学教育、高等教育、58AD转换电路的外特性研究等内容。 
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