【文章內(nèi)容簡介】 （3－1－1）得 （3－1－2）該電路實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)信號(hào)的加法運(yùn)算，但此電路沒有累加功能，所以還需要保持電路來對加法器的輸出值進(jìn)行保存，將其作為下次加法運(yùn)算的一個(gè)輸入值。電路圖如下：圖32 累加電路該累加電路，通過兩個(gè)S/H（采樣保持器）來實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的保存，利用加法器完成兩個(gè)值的加法運(yùn)算。具體的工作方式為：（1）開關(guān)S1接積分器A的輸出VoA，開關(guān)S2接S/H1的輸出V1，此時(shí)S/H1處于保持狀態(tài)，保存的是上一次交替前的累加值V1，通過加法器實(shí)現(xiàn)本段時(shí)間的累加，此時(shí)S/H2處于采樣狀態(tài)，不斷地采樣當(dāng)前輸出值Vo，作為下一段交替時(shí)間加法的一個(gè)輸入值；（2）當(dāng)交替時(shí)，開關(guān)S1接積分器B輸出VoB，開關(guān)S2接S/H2的輸出V2，通過加法器完成本段時(shí)間的累加，此時(shí)S/H1不斷地采樣當(dāng)前輸出值Vo，為下次交替做準(zhǔn)備；（3）通過這樣不斷地交替累加運(yùn)算，得到整個(gè)積分值，如下圖所示。圖33 累加示意圖上面介紹的累加器雖然在原理上實(shí)現(xiàn)了累加，但實(shí)際上對信號(hào)的保持效果并不理想。問題主要在于采樣保持器對信號(hào)的保持效果比較差，采樣保持器的電路圖如下：圖34 AD582采樣保持電路以廣泛應(yīng)用的通用型采樣保持器AD582為例，圖34是其輸出不反相的連接線路[18]。其中為外接電容器，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的采樣和保持。電路增益可由外接電阻和來選擇，增益。在采樣和保持模式時(shí)其輸入阻抗約為，在不同電容下，采樣保持器的保持情況如下：圖35 采樣保持器采樣保持性能圖35可以看出，當(dāng)外接電容為時(shí)，其衰減率每秒不到一毫伏，但實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)5秒的衰減量約為七分之一，因此以往的累加器無法滿足長時(shí)間低漂移積分器的要求。累加器由于是利用電容實(shí)現(xiàn)保持，那么針對電容主要有兩方面的問題：第一電容本身對信號(hào)要有良好的保持性能；第二為了減小電路對電容放電回路的影響，在電容后端增加一個(gè)射極跟隨器，并選用具有高輸入阻抗的運(yùn)放。本文設(shè)計(jì)的累加器基本原理圖如下：圖36 累加器的設(shè)計(jì)其中射極跟隨器U1主要是將積分器與負(fù)載電路隔離，減小負(fù)載電路對積分器的影響。累加器利用開關(guān)KKKKK5來控制累加器的工作。結(jié)合積分器的工作狀態(tài)，累加器的工作過程如下：1 初始積分階段初始時(shí)C1電壓為零，因此累加器的輸出等于積分器的輸出。開關(guān)的工作狀態(tài)為：K3斷開，K1閉合，K2，K4，K5斷開2 采樣階段本階段累加器在積分結(jié)束前的瞬間，實(shí)現(xiàn)對積分信號(hào)的采樣。開關(guān)的工作狀態(tài)為：K3，K4由斷開變?yōu)殚]合，電容C2對信號(hào)進(jìn)行采樣（當(dāng)下次采樣時(shí)，K5由斷開變?yōu)殚]合，實(shí)現(xiàn)對電容C1的采樣）。采樣結(jié)束后， K3，K4斷開。3交替階段本階段需要對積分電容進(jìn)行清零，同時(shí)實(shí)現(xiàn)保持電容C1與C2的交替。開關(guān)的工作狀態(tài)為：K1斷開，K2閉合， K4斷開，K5閉合.，K3保持?jǐn)嚅_。4積分累加階段這一階段的輸出信號(hào)為積分信號(hào)與上次積分結(jié)束時(shí)采樣得到的積分值的疊加。開關(guān)的工作狀態(tài)為： K1斷開，K2閉合，K3斷開，K4斷開，K5閉合如此往復(fù)循環(huán)，便可實(shí)現(xiàn)對積分器輸出值的累加。 器件的選擇與性能測試 電容的選取直接影響到累加器的性能。電容的選取包括兩方面，其中一個(gè)方面是電容對信號(hào)的保持效果要盡可能的好，這與電容的材料有關(guān)；另一個(gè)方面希望電容容量要盡可能的小，因?yàn)殡娙菰叫r(shí)間常數(shù)越小，這樣采樣最終得到的信號(hào)誤差就越小。但當(dāng)電容材料相同時(shí)，電容越小對信號(hào)的保持效果越差，所以需要在兩者之間取一個(gè)平衡點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試。 實(shí)際電容是理想電容與泄漏電阻的并聯(lián)，并且漏電阻隨著電容兩端電壓的變化而變化?？紤]到電壓在非常小的范圍變化時(shí)，電容的漏電阻變化比較小，因此可以在開始放電后極短時(shí)間內(nèi)選取兩點(diǎn)來近似地計(jì)算漏電阻。根據(jù)RC電路放電暫態(tài)方程式可得到下式： （3－3－1）其中R為電容的等效漏電阻，C為電容容量。，，為放電過程中選取的兩點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)間與電壓值。測試電路如下圖：圖37 電容漏電阻測試電路其中開關(guān)為電磁繼電器，型號(hào)為G6H2，是一種雙刀雙擲開關(guān).[19]，經(jīng)測試對信號(hào)的響應(yīng)延遲為幾毫米。運(yùn)放為具有高輸入阻抗的CA3140芯片，在時(shí)，其同相端輸入阻抗約為[20]。本實(shí)驗(yàn)使用ADLINK公司的DAQ2010采集卡產(chǎn)生信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)發(fā)出控制脈沖來控制繼電器。選取開始放電時(shí)的電壓值與放電200ms時(shí)的電壓值，代入（3－3－1）式計(jì)算出漏電阻，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖：圖38 松下聚酯膜電容等效漏電阻從上圖可以看出，電容漏電阻基本在左右，所以電容后端運(yùn)放的輸入阻抗必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容的漏電阻，這樣才能不明顯地減小電容放電回路的電阻。 電容保持效果測試由于電容的非理想性，電容上的電壓會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷衰減。根據(jù)RC電路放電公式容易知道，電容上電壓的衰減先快后慢。以時(shí)的衰減情況為例：圖39 電容對信號(hào)的衰減情況從圖中可以看出，電容電壓在前兩秒衰減迅速，之后衰減變得較為緩慢，因此延長電容保持時(shí)間有助于減少誤差，但是對積分器來說，積分時(shí)間越長漂移越嚴(yán)重，所以需要在兩者間取一個(gè)平衡點(diǎn)。規(guī)定衰減量=初始電壓絕對值末電壓絕對值。測試電容在前5秒的衰減情況測試電路如圖37所示，結(jié)果如下：圖310 電容對信號(hào)的衰減情況從圖310可以看出，電容對信號(hào)的衰減具有線性，都隨著電壓絕對值的增大而變大，并且正負(fù)電壓的情況關(guān)于縱軸基本對稱。利用函數(shù)擬合可得到曲線的近似擬合表達(dá)式： （3－2－2） （3－2－3）其中，；，；；。繼電器的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)開關(guān)斷開后，開關(guān)兩端的電阻是真正的無窮大。雖然開關(guān)的響應(yīng)延遲可以通過調(diào)節(jié)控制信號(hào)的時(shí)序來解決，但是繼電器彈簧的性能會(huì)隨著使用次數(shù)的增多而發(fā)生變化，那么響應(yīng)時(shí)間也就隨之改變。經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)MAXIM公司的MAX4664模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻最大為 [21]，其導(dǎo)通電阻僅有，所以對電容充電的時(shí)間常數(shù)影響不大。但是其阻斷電阻沒有PDF文檔資料中介紹的那么理想，并且模擬開關(guān)作為有源器件，會(huì)對電容的保持效果產(chǎn)生影響。將圖37中的開關(guān)換成MAX4664開關(guān)，同時(shí)為了測試模擬開關(guān)斷開后輸入是否仍然對輸出產(chǎn)生影響，將輸入信號(hào)分別設(shè)為單次方波和直流信號(hào)，其中直流信號(hào)在開關(guān)斷開后仍然存在，測試信號(hào)5秒的衰減量，并將測得結(jié)果與繼電器時(shí)的情況作對比得到下圖：圖311 模擬開關(guān)與繼電器的對比情況由于模擬開關(guān)的斷開狀態(tài)并不是完全意義上的斷開，所以電容的泄漏回路就包括電容本身的漏電阻，射極跟隨器以及模擬開關(guān)，那么使用模擬開關(guān)時(shí)電容對信號(hào)的衰減應(yīng)該會(huì)大于繼電器的情況，但從圖311可以看出，使用模擬開關(guān)時(shí)電容的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用繼電器時(shí)的情況，也就是說模擬開關(guān)存在著泄漏電流，并且泄漏電流的大小隨著電容電壓的不同而發(fā)生變化，那么兩個(gè)保持電容之間做不到完全隔離，會(huì)嚴(yán)重影響累加器的保持性能。并且通過對模擬開關(guān)兩次不同輸入情況的對比可以看出，模擬開關(guān)并不能完全隔離輸入信號(hào)對后面的影響。所以我們最終選擇繼電器作為控制開關(guān)。 邏輯控制 開關(guān)的時(shí)序與優(yōu)化 累加器中的控制開關(guān)總共有K1~K5五個(gè)開關(guān)。由于累加器作為積分器的輔助電路，因此累加器的控制時(shí)序需要結(jié)合積分器來分析。積分器的工作階段分為積分階段和清零階段。累加器的工作階段主要分為采樣階段和交替階段，其中采樣階段包含在積分階段中，交替階段發(fā)生在清零階段。 對開關(guān)的工作狀態(tài)進(jìn)行總結(jié)，得到下表：表31 開關(guān)的時(shí)序關(guān)系開關(guān)名初始積分采樣階段清零階段開關(guān)名積分累加采樣階段清零階段K1閉合閉合斷開K1斷開斷開閉合K2斷開斷開閉合K2閉合閉合斷開K3斷開先閉合再斷開斷開K3斷開先閉合再斷開斷開K4O閉合斷開K4斷開斷開閉合K5斷開斷開閉合K5O閉合斷開其中“O”可以為閉合也可以為斷開狀態(tài)。由上表可以看出，許多開關(guān)的工作時(shí)序是一樣的，所以可以將時(shí)序相同的開關(guān)用一個(gè)電磁繼電器來控制。具體情況為：（1）K3用一個(gè)繼電器J1，使用繼電器的常開端。（2） K1，K2，K4，K5用同一個(gè)繼電器J2，其中K1，K4使用常閉端，K2，K5使用常開端。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，電磁繼電器的開關(guān)狀態(tài)如下： 圖312 繼電器的工作時(shí)序圖中時(shí)序的上沿表示繼電器常開端已導(dǎo)通，下沿表示常開端為斷開狀態(tài)。T表示積分時(shí)間，t表示積分電容清零時(shí)間。t0是采樣時(shí)間，由采樣電容在不同電壓下的充電時(shí)間的最大值來確定。由于開關(guān)對控制信號(hào)的的響應(yīng)延遲經(jīng)過長時(shí)間工作后可能發(fā)生變化，所以J1下降沿比J0的下降沿稍微提前，以保證采樣的成功實(shí)現(xiàn)，提前的時(shí)間根據(jù)控制信號(hào)的時(shí)間精度和開關(guān)的切換速度來決定。從圖中可以看出J1的周期是（T+t）, J2的周期為2（T+t）。每個(gè)繼電器的響應(yīng)時(shí)間是不同的，因此為了確定控制信號(hào)的時(shí)序需要對每個(gè)繼電器的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測試。測試電路如圖37所示，利用DG535數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器來產(chǎn)生兩個(gè)脈寬可調(diào)的單次方波，DG535的精度可以達(dá)到1PS。表32 繼電器對控制信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間繼電器名稱控制信號(hào)由邏輯“0”變?yōu)檫壿嫛?”時(shí)，繼電器響應(yīng)延遲時(shí)間/ms控制信號(hào)由邏輯“1”變?yōu)檫壿嫛?”時(shí)，繼電器響應(yīng)延遲時(shí)間/msJ1J2在QNX系統(tǒng)下編程并利用6208采集卡來產(chǎn)生控制信號(hào)，QNX系統(tǒng)的時(shí)間精度可達(dá)到100微秒。得到的控制信號(hào)時(shí)序如下：圖313 控制信號(hào)的時(shí)序在采樣階段中，當(dāng)控制信號(hào)結(jié)束后，綜合考慮開關(guān)的響應(yīng)變化和控制信號(hào)的精度。 初步測試?yán)奂悠髟O(shè)定為每五秒交替一次，輸入信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器提供，為了盡可能的測試?yán)奂悠髟诓煌妷合碌墓ぷ髑闆r，將輸入信號(hào)設(shè)為周期為380秒，峰峰值為的方波，當(dāng)輸出波形的中心對稱點(diǎn)將落在橫坐標(biāo)軸上，波形的理想峰峰值為。圖314 累加器性能測試 圖314中的方波為輸入信號(hào)，階梯狀的三角波為輸出信號(hào)。從圖中可以輸出信號(hào)的中心對稱點(diǎn)沒有落在橫軸上，這是因?yàn)殡m然累加器工作的開始時(shí)刻可以由外部觸發(fā)來控制，但實(shí)驗(yàn)中所用的信號(hào)發(fā)生器卻不能由外部觸發(fā)控制，這就導(dǎo)致了輸出信號(hào)的中心對稱點(diǎn)很難落在橫坐標(biāo)上。 從圖314發(fā)現(xiàn)在第一個(gè)波谷的上升沿與第二個(gè)波峰的下降沿處輸出信號(hào)出現(xiàn)了比較大的跳變。這是因?yàn)檩敵鲂盘?hào)是保持電容上的電壓與輸入信號(hào)的疊加，實(shí)驗(yàn)中使用的輸入信號(hào)為峰峰值為的方波，在某段累加過程中如果輸入信號(hào)由500mv變?yōu)?00mv或者由500mv變?yōu)?00mv時(shí)，那么輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)幅度為1V的跳變。對波谷局部放大，得到下圖：圖315 波谷處的輸出信號(hào)跳變 從圖315可以看出波谷與跳變后的電壓一共維持的時(shí)間為5秒，等于設(shè)定的交替時(shí)間，其跳變幅度約為1V，跳變的時(shí)刻發(fā)生在輸入信號(hào)由500mv變?yōu)?00mv的瞬間，與分析相符。累加器主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：對信號(hào)的保持和對信號(hào)的累加。從圖314可以看出累加器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了累加，下面對保持性能進(jìn)行分析。保持性能可分為對正電壓的保持效果和對負(fù)電壓的保持效果。分析結(jié)果如下表所示：表33累加器對信號(hào)的衰減情況信號(hào)段初始值/V信號(hào)段終止值/V衰減率/‰信號(hào)段初始值/V信號(hào)段終止值/V衰減率/‰最大衰減率最大衰減率 長時(shí)間的性能測試 本文設(shè)計(jì)的累加器是用電容來實(shí)現(xiàn)保持功能的，如果電容長時(shí)間工作后對信號(hào)的保持效果下降，那將會(huì)嚴(yán)重影響累加器的性能。所以我們對累加器進(jìn)行了長時(shí)間測試。鑒于對圖315的分析，我們知道在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下很難將輸出波形的中心對稱點(diǎn)落在橫坐標(biāo)軸，所以容易使峰值處的信號(hào)段分為兩部分，以圖中波谷處為例，由于波谷的右端發(fā)生了一個(gè)1V的跳變，那么將會(huì)使波谷兩端變得不對稱，即一側(cè)會(huì)缺少一個(gè)信號(hào)保持段。因?yàn)殡娙輰φ?fù)信號(hào)的保持效果是不一樣的，那么輸出波形必然就會(huì)往某一個(gè)方向漂移，并且隨著時(shí)間的推移，漂移將會(huì)不斷積累，所以將輸入信號(hào)設(shè)定為周期300秒，峰峰值為的方波。如果輸出波形的中心對稱點(diǎn)落在橫坐標(biāo)軸上。那么理想峰峰值是，這就為輸出信號(hào)的漂移留下了一定的空間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：圖316 累加器工作1000秒的工作情況圖317 累加器工作12小時(shí)后的情況對圖316與圖317進(jìn)行分析，結(jié)果如下:表34累加器工作1000秒的衰減情況信號(hào)段初始值/V信號(hào)段終止值/V衰減率/‰信號(hào)段初始值/V信號(hào)段終止值/V衰減率/‰