长时间低漂移模拟积分器的研究

1、PAGE PAGE 64东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位位论文作作者签名名： 日期期： 年 月月 日东华大学学学位论论文版权权使用授授权书学位论文文作者完完全了解解学校有有关保留留、使用用学位论论文的规规定，同同意学校校保留并并向国家家有关部部门或机机构送交交论文的的复印件件和电子子版，允允许论文文被查阅阅

2、或借阅阅。本人人授权东东华大学学可以将将本学位位论文的的全部或或部分内内容编入入有关数数据库进进行检索索，可以以采用影影印、缩缩印或扫扫描等复复制手段段保存和和汇编本本学位论论文。 保密 ，在 年解解密后适适用本版版权书。本学位论论文属于于 不保密密 。学位论文文作者签签名： 指导导教师签签名：日期： 年 月 日 日期期： 年年 月月 日日长时间低低漂移模模拟积分分器的研研究摘 要随着磁约约束核聚聚变研究究和工程程技术的的发展，目前超超导托卡卡马克已已经实现现了长达达上百秒秒的稳定定运行。在长脉脉冲以及及将来准准稳态运运行的先先进托卡卡马克实实验研究究中对测测量和控控制信号号的可靠靠稳定采采集

3、和处处理，是是当今先先进托卡卡马克数数据采集集和控制制研究中中的重要要问题。积分器器作为托托卡马克克装置最最为基本本的信号号处理设设备，随随着装置置放电时时间的增增长，如如何实现现信号的的低漂移移长时间间可靠积积分，对对积分器器技术研研究提出出了挑战战。本论论文主要要研究了了基于硬硬件电路路实现累累加的长长时间低低漂移积积分器的的设计与与实现。在对积积分器实实现的形形式和误误差等方方面进行行了深入入调研和和分析的的基础上上，针对对交替过过程中以以往累加加器存在在的数据据保持问问题，设设计了具具有保持持和累加加功能的的累加器器。累加加器利用用电容对对信号进进行采样样和保持持，使用用同相加加法器实

4、实现累加加，最终终实现积积分器的的长时间间积分。实验结结果表明明累加器器具有很很好的保保持效果果，长时时间工作作性能良良好，可可以满足足托卡马马克装置置放电实实验中诊诊断信号号的测量量需要。关键词：积分器器；累加器器；长时间间；低漂移移 A LLOW-DRIIFT LONNG TTIMEE ANNALOOG IINTEERGRRATOOR RRESEEARCCHABSTTRACCTWithh thhe ddeveeloppmennt oof mmagnnetiic cconffineemennt ffusiion ressearrch andd ennginneerringg teechnno

5、loogy,supperccondducttingg Tookammakhhas achhievved thee sttablle mootioon ffor hunndreeds of secconddsnoow. Theeconntrool ssignnalssacqquissitiion andd prroceessiing aree immporrtannt iinthhe aadvaanceed ttokaamakk reeseaarchh unnderr thhe llongg puulsee anndquuasii-sttablle sstatte. Theeinttegrrat

6、oor iis tthe bassic siggnall haandllingg eqquippmennt iin TTokaamakk. IIt iis aa chhalllengge tto tthe lonng ttimee loow-ddrifft iinteegraatorrwitthinncreeasiinglly llongg ellecttricc diischhargge ttimee.Thee deesiggn aand reaalizzatiion of lonng ttimee loow-ddrifft iinteegraatorr wiith acccumuulatt

7、or whiich is bassed onaanallog dessignnis sstuddiedd inn thhis papper in ordder to sollvinng tthe proobleems of datta rreteentiioniin tthe couursee off thhe aalteernaate. Thhrouugh an in-deppth stuudy of thee foormss annd eerroor-aanallysiis oof iinteegraatorr,an acccumuulattorwwithh siignaal hholdd

8、ingg annd aaccuumullatiing funnctiioniis ddesiigneed. Theeacccumuulattor cann Reealiizessignnal holldinng bby ccapaacittor andd acchieeve thee acccummulaatinng bby nnon invverttingg innputt addderr, tthenn thhe iinteegraatorr wiill commplyy thhe llongg tiime inttegrratiion. Exxperrimeent ressultts p

9、rrovee thhat thee acccummulaatorr issgoood aat ssignnal holldinng aandeeffiicieent aftter lonng wworkkingg hoourss, sso tthe acccumuulattor cann meeet thee neeed of meaasurremeent siggnall inn Tookammakddisccharrgeeexpeerimmentt.KEY WORRDS: innteggrattor; acccummulaatorr; llongg-tiime; loow-ddrifft目

10、录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc280271366 第一章引引言 PAGEREF _Toc280271366 h 1 HYPERLINK l _Toc280271367 1.1 课题背背景 PAGEREF _Toc280271367 h 1 HYPERLINK l _Toc280271368 1.2积积分功能能的实现现形式及及存在的的主要问问题 PAGEREF _Toc280271368 h 1 HYPERLINK l _Toc280271369 1.3国国内外长长时间积积分器研研究的现现状 PAGEREF _Toc280271369 h 2 HYPERLIN

11、K l _Toc280271370 1.4 论文的的主要工工作 PAGEREF _Toc280271370 h 5 HYPERLINK l _Toc280271371 第二章积积分器的的原理与与分析 PAGEREF _Toc280271371 h 77 HYPERLINK l _Toc280271372 2.1 基本模模拟积分分电路 PAGEREF _Toc280271372 h 77 HYPERLINK l _Toc280271373 2.2 模拟积积分电路路方程及及运算 PAGEREF _Toc280271373 h 88 HYPERLINK l _Toc280271374 2.3 模拟积

12、积分误差差分析 PAGEREF _Toc280271374 h 110 HYPERLINK l _Toc280271375 2.4 数字积积分器原原理 PAGEREF _Toc280271375 h 133 HYPERLINK l _Toc280271376 2.5 数字积积分误差差分析 PAGEREF _Toc280271376 h 114 HYPERLINK l _Toc280271377 2.6模模拟数字字技术结结合的积积分器 PAGEREF _Toc280271377 h 114 HYPERLINK l _Toc280271378 第三章累累加器的的设计 PAGEREF _Toc280

13、271378 h 116 HYPERLINK l _Toc280271379 3.1累累加器的的原理 PAGEREF _Toc280271379 h 116 HYPERLINK l _Toc280271380 3.2累累加器的的设计 PAGEREF _Toc280271380 h 118 HYPERLINK l _Toc280271381 3.3 器件的的选择与与性能测测试 PAGEREF _Toc280271381 h 200 HYPERLINK l _Toc280271382 3.4 逻辑控控制 PAGEREF _Toc280271382 h 244 HYPERLINK l _Toc280

14、271383 3.5累累加器性性能测试试 PAGEREF _Toc280271383 h 26 HYPERLINK l _Toc280271384 3.6 小结 PAGEREF _Toc280271384 h 300 HYPERLINK l _Toc280271385 第四章积积分器性性能测试试 PAGEREF _Toc280271385 h 31 HYPERLINK l _Toc280271386 4.1积积分器的的设计 PAGEREF _Toc280271386 h 331 HYPERLINK l _Toc280271387 4.2积积分器性性能测试试 PAGEREF _Toc280271

15、387 h 32 HYPERLINK l _Toc280271388 4.3使使用累加加器后积积分器的的性能测测试 PAGEREF _Toc280271388 h 333 HYPERLINK l _Toc280271389 4.4 误差分分析 PAGEREF _Toc280271389 h 355 HYPERLINK l _Toc280271390 第五章全全文总结结 PAGEREF _Toc280271390 h 36 HYPERLINK l _Toc280271391 5.1结结论 PAGEREF _Toc280271391 h 366 HYPERLINK l _Toc280271392

16、5.2展展望 PAGEREF _Toc280271392 h 366 HYPERLINK l _Toc280271393 参考文献献 PAGEREF _Toc280271393 h 38 HYPERLINK l _Toc280271394 附录 PAGEREF _Toc280271394 h 400第一章 引言1.1 课题背背景 核聚变变研究是是当代自自然科学学中一项项具有重重大意义义的前沿沿课题，其目的的在于通通过对核核聚变反反应的控控制从而而使聚变变产生的的巨大能能量为人人类和平平使用，是人类类通过高高技术手手段利用用新能源源的一种种方式。受控核核聚变的的研究与与实现将将对世界界发展和和人

17、类进进步产生生巨大的的贡献。在磁约约束核聚聚变研究究领域里里，托卡卡马克被被认为是是最有可可能实现现受控核核聚变的的装置之之一11,自上世世纪500年代以以来经过过半世纪纪全世界界众多杰杰出科学学家的不不懈努力力和研究究，物理理和工程程技术上上均得到到了不断断发展和和完善。国内的的聚变研研究近年年来取得得了巨大大的成就就，20006年年10月月中国科科学院等等离子体体所在世世界上首首次成功功研制和和运行了了全超导导托卡马马克实验验装置-EASST, 标志着着我国聚聚变研究究进入了了世界先先进水平平。最近近几轮实实验中，EASST获得得了上百百秒的稳稳定运行行，并成成功地实实现了HHmoode,

18、为未来来稳态运运行的先先进托卡卡马克核核聚变研研究提供供重要的的物理和和工程技技术研究究基础。 在托卡卡马克装装置中，对高温温等离子子体态反反应物质质需要各各种位形形磁场的的约束和和平衡，而磁位位形只能能通过磁磁感应方方式进行行间接测测量。根根据电磁磁理论，分布在在磁场周周围的磁磁探针输输出的感感生电压压信号，只是待待测物理理量磁场场强度或或磁通量量的微分分量，要要得到相相应的BB或信号（B是场场强信号号，为磁通通量信号号）用于于等离子子体诊断断或反馈馈控制,例如计计算等离离子体电电流信号号、控制制等离子子体位移移和形状状等，就就必需对对相应的的感生电电压信号号进行积积分，积积分器便便是完成成

19、这一积积分运算算不可或或缺的设设备。1.2积积分功能能的实现现形式及及存在的的主要问问题 实实现积分分功能可可以通过过软件编编程或者者硬件电电路的方方式实现现2,如果果采用数数字积分分的方法法，需要要经ADD转换把把模拟信信号转换换为数字字信号，经数字字积分计计算得出出积分结结果，最最后再经经DA转转换器转转换为模模拟信号号输送到到等离子子体控制制系统。由于量量化误差差，所以以数字积积分，存存在着无无法避免免的零点点问题，并且随随着时间间的推移移，误差差将越来来越大,所以数数字积分分较难满满足托克克马克受受控聚变变研究的的实验需需要的。 现现在国内内外各个个托克马马克装置置，积分分器主要要采用

20、硬硬件电路路实现。采用硬硬件方式式实现积积分功能能有很多多形式，若按实实现的元元器件的的不同，可分为为RC 无源积积分器、模拟积积分器、数字积积分器、模拟技技术和数数字技术术相结合合的混合合积分器器；若按按实现方方案的不不同，可可分为补补偿型积积分器、交替式式积分器器、基于于数字信信号处理理器的积积分器和和基于电电压频率率转换器器计数数器和数数字信号号处理器器构建的的数字积积分器。1.3国国内外长长时间积积分器研研究的现现状为了减小小积分器器的积分分误差,目前各各国的托托卡马克克装置采采用了不不同的方方法设计计积分器器，主要要有以下下几种： （11）模拟拟积分器器，其漂漂移补偿偿采用了了ADC

21、C-reegissterrDAAC；（2）交交替式的的积分器器；（33）基于于DSPP（数字字信号处处理器）和高速速ADCC(模数数转换器器)的模模拟数字字相结合合的积分分器；（4）采采用三组组VFCCUDDC（电电压频率率转换器器计数数器）模模块和DDSP（数字信信号处理理器）构构建的数数字积分分器。各各种方案案都有其其特点，在一定定时间范范围内，都可降降低积分分器的误误差，但但又存在在各自的的局限性性。下面面对这几几种积分分器的实实现方式式进行详详细的描描述，并并在此基基础上分分析其优优缺点。1.3.1 补补偿型积积分器45图1-11 KKSTAAR使用用的模拟拟积分器器 韩国的的KSTT

22、AR 装置采采用ADDC-rregiisteerDDAC（模数转转换器寄存器器数模模转换器器）模块块对积分分器进行行补偿，其功能能示意图图如图11-1 所示。积分器器工作在在两种状状态：放放大器状状态和积积分器状状态。在在放大器器状态，测量运运放的零零漂，经经ADCC采样，由REEGISSTERR A 保存，在积分分状态，由DAAC将保保存在RREGIISTEER AA 中的的运放的的零漂量量转换为为模拟量量补偿回回去。这这种方法法可有效效地抑制制由运放放失调引引起的积积分漂移移。通过过这种思思路设计计的积分分器，可可以在一一定程度度上消除除积分漂漂移，但但是由于于寄存器器保存的的是前一一个时

23、间间周期的的积分误误差，所所以做不不到实时时补偿，特别当当积分误误差发生生突变时时，这种种情况变变得更加加严重6。1.3.2 交交替式积积分器78 JETT 托卡卡马克装装置，为为了消除除积分误误差,他他们研制制了一种种交替式式积分器器。设计计的主要要思想是是将积分分时间分分割为短短时间段段，一个个对信号号积分，一个对对地积分分，当对对地积分分的那个个积分器器的漂移移明显时时，两个个积分器器交替。为了得得到完整整的积分分信号，需要两两个模拟拟积分器器交替工工作并配配备相应应的累加加电路。图1-22 JJET设设计的交交替式积积分器 采用同同样的原原理，日日本的TTRIAAM-11M 托托卡马克

24、克装置，研制了了交替式式积分器器。其放放电时间间超过22 小时时，使用用的就是是这种积积分器。可见交交替式积积分器可可以很好好地消除除积分误误差，可可以消除除积分电电容泄漏漏的影响响，有着着很好的的发展空空间。但但是要实实现电路路上的交交替式积积分，存存在着以以下难点点：如何何将两路路积分器器的输出出结果拼拼接完好好；两路路积分器器必须保保持一致致，这样样才能确确保积分分过程有有着一样样的RCC 常数数，同时时这也是是完成积积分误差差消除的的关键。1.3.3 基基于DSSP/MMCU的的积分器器9 美国的的DIIIID 研研制了基基于DSSP的数数字积分分器，首首先前端端对微分分信号进进行调理

25、理，将输输入信号号调整到到ADCC输入范范围内，再将微微分信号号量化成成数字信信号，由由数值运运算部件件DSPP完成积积分误差差的处理理和数字字信号的的积分运运算，最最终得到到对输入入信号的的积分。图1-33 基基于DSSP的数数字积分分器 德国WW7-XX采用差差分输入入，经过过RC滤滤波后，由模拟拟开关将将输入信信号交替替反相，再经减减法器输输出，完完成数据据采集后后，再由由一个标标准的LLINUUX电脑脑完成积积分的运运算。 图1-44 WW7-XX使用的的数字积积分器 数字积积分器具具有系统统扩展方方便，动动态范围围大，不不会出现现积分溢溢出现象象，算法法设计灵灵活等优优点。最最主要的

26、的是它完完全摒弃弃了模拟拟积分器器的思路路，不存存在积分分电容和和运算放放大器所所带来的的非线性性误差和和泄漏现现象。1.3.4 VVFCUDCC 型积积分器10111 日本的的JT-60 装置采采用VFFCUUDC（电压频频率转换换器计计数器) 模块块和DSSP构建建了数字字积分器器，采用用三路对对应不同同输入范范围的VVFCUDCC 模块块，将电电压信号号转换为为频率信信号，在在频率范范围内完完成积分分过程，再由数数字信号号处理器器完成对对三路信信号的选选择输出出。 图1-55 VVFCUDCC型数字字积分器器 VFCC 式积积分器的的突出优优点在于于利用成成本较低低的集成成电路芯芯片即可

27、可实现对对输入信信号的积积分和信信号的可可靠隔离离，其精精度也优优于采用用OP007运放放构成的的基本积积分电路路。同时时微小积积分的数数值累加加处理方方式不存存在溢出出问题，从而可可以保证证积分器器进行长长时间积积分，满满足装置置对积分分器积分分时间的的要求。但是存存在着以以下的问问题：VVFC的的非线性性误差、VFCC对小信信号处理理存在死死区以及及放大器器存在的的内部漂漂移，集集成VFFC 器器件在信信号输入入极性等等方面还还具有较较大的局局限性。 1.3.5 EEASTT托卡马马克当前前使用的的积分器器 EASST托卡卡马克当当前使用用的积分分器原理理如下图图所示12。EAAST新新型

28、积分分器系统统主要包包括四个个部分：（1）积分器器电路（模拟积积分器），用于于实现对对输入信信号的积积分，这这是系统统的核心心；（22）隔离离部分，用于将将前端的的信号与与后端的的系统隔隔离开，保证各各系统的的安全；（3）程控放放大器部部分，用用于将信信号调整整到适合合采集的的范围，提高系系统分辨辨率；（4）控控制器部部分，用用于网络络通讯，接收设设置参数数和指令令向积分分器和程程控放大大器发送送指令。图1-66 EEASTT当前使使用的积积分器系系统框图图 该积分分器系统统采用实实时积分分漂移补补偿的方方案，动动态地消消除了积积分器本本身的等等效输入入偏移量量、温度度漂移及及地噪声声等带来来

29、的误差差，达到到了提高高积分器器精度的的目的。对于模模拟积分分器由于于采用电电压-电电流的思思想，不不会限制制输入电电压是否否超过电电源电压压。系统统简便有有效，可可以很好好地抑制制积分漂漂移。 但但是要求求两路积积分器漂漂移特性性一致，这增加加了器件件的选择择以及电电路调节节的困难难；而且且在实验验前必须须对每路路积分其其进行调调零，工工作量比比较大；另外如如果积分分时间长长的话，电容的的泄漏将将对积分分结果的的准确性性有很大大影响。 通过对对以上方方案的分分析，可可以得到到以下结结论：这这些方案案或者因因为元器器件本身身的缺陷陷，或者者设计思思路的局局限，或或者由于于性价比比较低，虽然各各

30、自取得得了一定定的进展展，但在在实际的的使用上上仍存在在一些局局限性。因此， 对积积分器系系统设计计的最终终目标是是高精度度、有效效抑制积积分误差差，能够够保证长长时间积积分，并并且具有有很好的的性价比比，无论论是在设设计方法法上，还还是在实实现形式式方面依依然具有有较大的的研究空空间。1.4 论文的的主要工工作1.4.1 设设计思想想 积分器器在长时时间工作作时，为为了减小小误差需需要利用用分段积积分的思思想将积积分时间间分为有有限段，这就需需要累加加电路来来对输出出信号进进行累加加，但是是以往的的累加器器对信号号的保持持效果很很差，无无法满足足长时间间低漂移移积分器器的要求求。有一一种解决

31、决途径是是先将上上一段结结束时的的积分值值转化为为数字信信号，对对数字信信号进行行保持然然后再转转化为模模拟信号号作为下下一次积积分的初初始值，这种方方法对信信号的保保持效果果会比较较理想，但成本本较高。所以本本文设计计了基于于模拟电电路的累累加器。1.4.2主要要工作论文完成成的主要要工作有有：（1）对对积分电电路的理理论计算算与误差差分析；（2）累累加器的的设计与与制作；（3）累累加器的的性能测测试（4）积积分器的的性能测测试与分分析，以以及根据据实验结结果对累累加器的的进一步步优化。1.4.3论文文框架论文第一一章首先先介绍了了研制长长时间低低漂移积积分器的的意义，并对国国内外积积分器的

32、的研究现现状进行行了简单单介绍；第二章章对模拟拟、数字字积分器器以及模模数结合合积分器器进行了了详细的的原理及及误差分分析。第第三章是是本文的的核心，本章详详细介绍绍了累加加器的设设计与实实现，对对累加器器中电容容的性能能做了详详细测试试，并对对开关的的选择做做了比较较深入的的调研，在此基基础上对对累加器器的控制制时序进进行优化化，最后后对累加加器的性性能进行行了测试试和分析析；第四四章首先先对积分分器进行行了测试试和分析析，将没没有使用用累加器器的情况况和使用用累加器器后的情情况进行行了对比比实验，并根据据实验结结果提出出了优化化方案；第五章章是结论论和展望望.第二章积积分器的的原理与与分析

33、 利用运运算放大大器搭建建的模拟拟积分器器，虽然然由于运运放的失失调电压压和失调调电流以以及积分分电容的的介质损损耗和漏漏电，存存在着不不可避免免的漂移移现象，但模拟拟积分器器具备响响应快，价格便便宜等优优势，在在积分器器研制中中仍然具具有不可可代替的的作用。2.1 基本模模拟积分分电路如图21所示示，基本本积分电电路113由由运算放放大器AA、积分分电阻RR和积分分电容CC构成。图211 传传统模拟拟积分器器当A为理理想运放放时，利利用虚地地的概念念：，得得到 （2111）电容C就就以电流流进行充充电。假假设电容容器C初初始电压压为E，则 （2212） 整理得得 （2213）上式表明明，输出

34、出电压为为输入电电压对时时间的积积分，负负号表示示它们在在相位上上是相反反的，式式中RCC是积分分常数。2.2 模拟积积分电路路方程及及运算表达式（2113）是在所所有元件件均为理理想的条条件下得得到的积积分器表表达式。实际积积分电路路的元器器件不可可能是完完全理想想的，如如积分电电容存在在泄漏以以及运放放失调电电压等存存在，难难免会引引入误差差。为了了分析不不同因素素引起的的误差，采用等等效电路路分析法法来对积积分误差差144进行行分析，下图222为实际际积分电电路的等等效电路路图。图图中为积积分电阻阻，C为积分分电容，表示积积分电容容C的泄漏漏电阻，E表示零零时刻电电容器上上的初始始电压，

35、为负载载电阻。图中虚虚线框内内为实际际集成运运放的低低频等效效电路，其中、分别为为运放的的输入和和输出电电阻，为为输入失失调电压压，、分别为为输入失失调电流流和输入入偏置电电流，为为共模误误差信号号的近似似值，为为开环放放大倍数数。图222 实实际积分分器的等等效电路路由基尔霍霍夫电压压及电流流定律，可写出出电路的的电压电电流方程程，如下下： （2221）其中S为为信号的的频率，对电路路作低频频近似化化简，近近似条件件为： （2222）经推导得得 （2223）分子分母母同除以以， （2224）令，这里里可理解解为非理理想的积积分电容容及开环环放大倍倍数引起起的等效效泄漏电电阻。则 （2225）

36、令，为运运放的失失调电压压和失调调电流引引起的等等效输入入电压。得 （2226）因为 ， （2227）所以 （2228）经拉氏反反变换，在时域域的表达达式为 （2299）2.3 模拟积积分误差差分析为便于分分析，假假设输入入是幅值值为的阶阶跃函数数，即 （2231）并假设为为常数，则式（2229）化为 （2232）根据指数数展开公公式将上上式展开开，得 （2233）式中第一一项为理理想状况况下对输输入信号号的积分分及积分分保持项项，第二二项为因因输入失失调引起起的积分分漂移，第三项项和第四四项是由由运放的的非理想想性和电电容的介介质损耗耗和漏电电引起的的误差。是相对对小量，可以忽忽略。2.3.

37、1理想想状况 （2234）式中RCC为积分分常数。这就是在在理想状状况下的的积分运运算，即即不考虑虑输入失失调电压压，输入入失调电电流和输输入偏置置电流的的影响，开环放放大倍数数为无穷穷大，积积分电容容为理想想电容，无泄漏漏电阻的的影响。2.3.2积分分漂移当输入电电压为零零时，理理想积分分电路的的输出电电压应保保持不变变，但实实际积分分电路输输出端仍仍会发生生变化。这是因因为实际际集成运运放存在在着输入入失调电电压,输输入失调调电流和和输入偏偏置电流流及其温温漂等，即使输输入电压压为零，输出也也不为零零，输出出电压会会随时间间不断向向一个方方向变化化（增大大或减小小），称称为“积分漂漂移现象

38、象”。 假设输输入电压压=0，电电容器初初始电压压E00，只考考虑实际际集成运运放的输输入失调调电压、输入失失调电流流和输入入偏置电电流时，由（2232）式式得积分分运算的的输出为为： （2235） 式式中第一一项为的的积分输输出，称称为积分分漂移。是相对对小量，可以忽忽略。 由由上式可可知，当当积分时时间很短短时，由由于本身身很小，所以输输出信号号的积分分漂移也也很小。当积分分时间tt不断增增加时，积分漂漂移随之之线性增增加，成成为影响响积分输输出精度度的重要要因素之之一。所所以减小小积分时时间成为为减小积积分漂移移最为主主要的手手段，但但是在一一些实验验中，必必须要有有足够的的积分时时间，

39、所所以交替替式模拟拟积分器器的设计计就是利利用了每每段时间间内积分分时间比比较小，而整个个积分时时间较长长的特点点。2.3.3 非非线性误误差理想的反反相输入入积分电电路在负负的单位位阶跃输输入电压压作用下下，输出出电压应应随时间间呈线性性上升。但由于于元器件件性能不不理想，实际积积分电路路的输出出与线性性产生了了偏离，这就是是非线性性误差。假设输入入电压为为阶跃电电压，电电容器初初始电压压E00，不考考虑实际际集成运运 放的的输入失失调电压压、输入入失调电电流和输输入偏置置电流所所引起的的漂移，则由（2332）式得： （2336）式中是相相对小量量，可以以忽略。当满足 1时，即足够够得小或或

40、者足够够得大，则 （2237） 这就是是理想积积分。但但由于非非理想电电容的介介质损耗耗和漏电电，使得得积分器器的输出出产生了了非线性性误差，即（2232）式式中的第第二项。这种由由于电容容的介质质损耗和和漏电引引起的积积分漂移移，无论论是采用用什么补补偿的办办法都无无法消除除。2.3.4泄漏漏现象假定积分分电路在在一定的的输入电电压下输输出电压压已达到到一定的的值，再再将变为为零，对对于理想想积分电电路而言言，其输输出电压压应保持持不变。而对于于实际积积分电路路，由于于积分电电容的介介质损耗耗和泄漏漏电阻的的存在及及运放的的非理想想，给积积分电容容上的电电荷提供供了放电电通路，使输出出电压随

41、随时间不不断下降降，称之之为“泄漏现现象”。假设输入入电压，电容器器初始电电压，不不考虑实实际集成成运放的的输入失失调电压压、输入入失调电电流和输输入偏置置电流所所引起的的漂移，则 （2388）式中是相相对小量量，可以以忽略。当满足 1时，即足够够得小或或者足够够得大，则 （2239）即理想状状况下，零输入入状态时时，输出出保持不不变。但但由于电电容的介介质损耗耗和漏电电，随着着时间的的增长，实际输输出将按按指数不不断的衰衰减。以上这些些误差可可概括为为线性和和非线性性两种类类型，其其中线性性误差在在一定程程度上可可以通过过数字或或模拟的的方法减减小，但但非线性性误差随随积分器器的工作作环境、

42、积分输输出电压压的大小小、输入入信号的的频率高高低等因因素而变变化，而而这也正正是各方方正在进进行的研研究课题题。 2.4 数字积积分器原原理 数字积积分器15，具有有运算速速度快、精度高高、灵活活性高等等特点，可以实实现多种种积分误误差修正正算法，易于实实现系统统参数的的变更。数字积积分器的的思想就就是将微微分信号号量化为为数字信信号，再再通过数数值运算算部件完完成数字字信号的的积分，最终得得到输入入信号的的积分。根据微积积分的知知识，它它是一种种数学思思想，无限求求和就是积积分。计计算函数数从区间间，所包围围的面积积，就是是求函数数在该区区间的定定积分，如下图图所示，即（2441）图2-3

43、3 数字字积分器器的原理理若将积分分区间，等分成成很多小小区间，其中，当足够够小时，面积SS可近似似看成很很多小长长方形面面积之和和，即（2442）为时的值值，如将将取为一一个最小小单位时时间，即即=1，则则（2443）由此，函函数的积积分运算算变成了了函数值值的累加加运算，当足够够小时，即ADD采样率率足够高高，则累累加求和和运算代代替积分分运算所所引入的的误差可可以不超超过所允允许的误误差，这这样也就就满足积积分计算算所需要要的精度度。2.5 数字积积分误差差分析根据上面面的分析析，可知知数字积积分器主主要误差差包括积积分运算算误差、模拟转转换器的的量化误误差116、处理器器有限字字长等几

44、几个方面面。2.5.1.积积分运算算误差由于ADD采样率率是有限限的，所所以不可可能足够够小，这这样就不不能完全全等同于于的值，所以计计算的多多个小长长方形面面积之和和不等于于从区间间，所包围围的面积积，这样样就不可可避免地地引入了了误差。根据采采样定理理知道，要想把把采样信信号恢复复模拟信信号时不不失真，采样频频率必须须大于信信号最高高频率的的两倍，高于此此频率的的信号就就会产生生混叠、失真影影响数据据处理的的精度，对采集集有误差差。2.5.2.模模拟转换换器的量量化误差差数字积分分器的主主要误差差来自模模数转换换的量化化误差。量化即即把采样样信号的的幅值与与某个最最小数量量单位的的一系列列

45、整倍数数比较，以最接接近于采采样信号号幅值的的最小数数量单位位倍数（量化单单位）来来代替该该幅值。由采样样信号的的幅值与与量化单单位的误误差，叫叫做量化化误差。实际信号号可以看看成量化化输出信信号与量量化误差差之和，因此只只用量化化输出信信号来代代替原信信号就会会有失真真。但是是量化误误差是一一种原理理性误差差，它只只能减小小而无法法完全消消除。2.6模模拟数字字技术结结合的积积分器 模数结结合的积积分器就就是综合合模拟电电路和数数字电路路各自的的优点，采用模模拟积分分器完成成积分功功能，采采用数字字电路进进行漂移移补偿，以减小小模拟积积分器的的积分漂漂移。典典型的实实现方式式有两种种：（1）

46、 由模拟拟积分器器完成积积分功能能，对输输出的积积分信号号采用DDSP 进行积积分补偿偿。这种种方法更更多地利利用模拟拟积分器器对输入入信号的的无损积积分，同同时利用用了数字字电路的的可存储储性、易易于对信信号进行行变化及及提取相相应的信信息的优优势。（2） 模拟积积分器完完成积分分功能，采用自自动补偿偿对其进进行误差差补偿。具体做做法如下下：由一一个基本本积分器器和采样样保持电电路构成成的反馈馈网络组组成。利利用采样样保持电电路在积积分前保保存下零零漂信号号，在积积分的时时候不断断地对输输入端进进行补偿偿，抵消消零漂。采用这这种方法法进行积积分补偿偿，需要要几个工工作时序序，包括括测量零零漂

47、、补补偿零漂漂、积分分电容清清零、开开始积分分。图2-44 自自动补偿偿式积分分器原理理图在这里，补偿包包括两部部分：静静态补偿偿和动态态补偿。静态补补偿是通通过调零零电路手手动调节节零点，就是图图2-4中的OFFFSEET。这这个零点点调好之之后，随随着环境境和温度度的变化化，也会会改变，所以静静态补偿偿只能做做一个大大致的调调节。动动态补偿偿就是用用图-中采样样保持电电路在每每次积分分前测量量零漂，再补偿偿到输入入端，因因而可极极大的减减小环境境和温度度的影响响。这种种积分器器在短时时间内比比单个积积分器效效果更好好。但是是由于运运放、电电阻等都都存在温温漂，积积分电容容和采样样保持器器中

48、的保保持电容容上的电电荷会泄泄漏，随随着时间间的推移移，漂移移是不可可避免的的，因此此单单靠靠一个积积分器是是不可能能完成长长时间积积分的，所以需需要采用用交替积积分思想想，减小小积分器器的积分分时间，然后通通过累加加电路将将两路积积分器的的输出值值不断地地进行累累加，以以此得到到完整的的积分信信号。所所以累加加器的性性能就变变得非常常重要。第三章累累加器的的设计从上一章章的分析析知道，累加器器对研制制长时间间低漂移移积分器器具有重重要作用用，但是是以往的的累加器器性能不不良好，使用数数字电路路方法性性价比又又不高，所以我我们对累累加器进进行了全全新设计计，以满满足长时时间低漂漂移积分分器的需

49、需要。3.1累累加器的的原理累加电路路要实现现对两路路输出值值地不断断累加，需要具具有加法法功能和和保持功功能。加加法电路路如下图图所示：图3-11 同相相加法器器电路如图3-1所示示，通过过运放和和电阻构构成同相相加法器器177，具具体关系系式如：（3111）得（3122）该电路实实现对两两个信号号的加法法运算，但此电电路没有有累加功功能，所所以还需需要保持持电路来来对加法法器的输输出值进进行保存存，将其其作为下下次加法法运算的的一个输输入值。电路图图如下：图3-22累加电电路该累加电电路，通通过两个个S/HH（采样样保持器器）来实实现对信信号的保保存，利利用加法法器完成成两个值值的加法法运

50、算。具体的的工作方方式为：（1）开开关S11接积分分器A的输出出VoAA，开关关S2接S/HH1的输输出V11，此时时S/H11处于保保持状态态，保存存的是上上一次交交替前的的累加值值V1，通通过加法法器实现现本段时时间的累累加，此此时S/H2处处于采样样状态，不断地地采样当当前输出出值Voo，作为为下一段段交替时时间加法法的一个个输入值值；（2）当当交替时时，开关关S1接积积分器BB输出VooB，开开关S22接S/HH2的输输出V22，通过过加法器器完成本本段时间间的累加加，此时时S/HH1不断断地采样样当前输输出值VVo，为为下次交交替做准准备；（3）通通过这样样不断地地交替累累加运算算，

51、得到到整个积积分值，如下图图所示。图3-33 累累加示意意图上面介绍绍的累加加器虽然然在原理理上实现现了累加加，但实实际上对对信号的的保持效效果并不不理想。问题主主要在于于采样保保持器对对信号的的保持效效果比较较差，采采样保持持器的电电路图如如下：图3-44 AAD5882采样样保持电电路以广泛应应用的通通用型采采样保持持器ADD5822为例，图3-4是其其输出不不反相的的连接线线路118。其中为为外接电电容器，实现对对信号的的采样和和保持。电路增增益可由由外接电电阻和来选择择，增益益。在采采样和保保持模式式时其输输入阻抗抗约为，在不同同电容下下，采样样保持器器的保持持情况如如下：图3-55

52、采采样保持持器采样样保持性性能图3-55可以看看出，当当外接电电容为时时，其衰衰减率每每秒不到到一毫伏伏，但实实际测试试发现55秒的衰衰减量约约为七分分之一，因此以以往的累累加器无无法满足足长时间间低漂移移积分器器的要求求。3.2累累加器的的设计累加器由由于是利利用电容容实现保保持，那那么针对对电容主主要有两两方面的的问题：第一电电容本身身对信号号要有良良好的保保持性能能；第二二为了减减小电路路对电容容放电回回路的影影响，在在电容后后端增加加一个射射极跟随随器，并并选用具具有高输输入阻抗抗的运放放。本文文设计的的累加器器基本原原理图如如下：图3-66 累累加器的的设计其中射极极跟随器器U1主主

53、要是将将积分器器与负载载电路隔隔离，减减小负载载电路对对积分器器的影响响。累加加器利用用开关KK1、KK2、KK3、KK4、KK5来控控制累加加器的工工作。结结合积分分器的工工作状态态，累加加器的工工作过程程如下：1 初始始积分阶阶段初始时CC1电压压为零，因此累累加器的的输出等等于积分分器的输输出。开开关的工工作状态态为：KK3断开开，K11闭合，K2，K4，K5断开开2 采样样阶段本阶段累累加器在在积分结结束前的的瞬间，实现对对积分信信号的采采样。开开关的工工作状态态为：KK3，KK4由断断开变为为闭合，电容CC2对信信号进行行采样（当下次次采样时时，K5由断断开变为为闭合，实现对对电容C

54、C1的采采样）。采样结结束后， K3，K4断断开。3交替阶阶段本阶段需需要对积积分电容容进行清清零，同同时实现现保持电电容C11与C22的交替替。开关关的工作作状态为为：K1断开开，K2闭合合， KK4断开开，K5闭合合.，KK3保持持断开。4积分累累加阶段段这一阶段段的输出出信号为为积分信信号与上上次积分分结束时时采样得得到的积积分值的的叠加。开关的的工作状状态为： K1断断开，KK2闭合合，K33断开，K4断开开，K55闭合如此往复复循环，便可实实现对积积分器输输出值的的累加。3.3器器件的选选择与性性能测试试3.3.1电容容的选择择电容的选选取直接接影响到到累加器器的性能能。电容容的选取

55、取包括两两方面，其中一一个方面面是电容容对信号号的保持持效果要要尽可能能的好，这与电电容的材材料有关关；另一一个方面面希望电电容容量量要尽可可能的小小，因为为电容越越小时间间常数越越小，这这样采样样最终得得到的信信号误差差就越小小。但当当电容材材料相同同时，电电容越小小对信号号的保持持效果越越差，所所以需要要在两者者之间取取一个平平衡点。经实验验测试，最终选选用0.33uuF松下下聚酯膜膜电容器器作为累累加电路路的保持持电容。3.3.2电容容漏电阻阻的测量量实际电容容是理想想电容与与泄漏电电阻的并并联，并并且漏电电阻随着着电容两两端电压压的变化化而变化化。考虑虑到电压压在非常常小的范范围变化化

56、时，电电容的漏漏电阻变变化比较较小，因因此可以以在开始始放电后后极短时时间内选选取两点点来近似似地计算算漏电阻阻。根据据RC电路路放电暂暂态方程程式可得得到下式式：（3331）其中R为为电容的的等效漏漏电阻，C为电容容容量。，为放电电过程中中选取的的两点所所对应的的时间与与电压值值。测试试电路如如下图：图3-77 电电容漏电电阻测试试电路其中开关关为电磁磁继电器器，型号号为G66H-22，是一一种双刀刀双掷开开关.19，经测试试对信号号的响应应延迟为为几毫米米。运放放为具有有高输入入阻抗的的CA331400芯片，在时，其同相相端输入入阻抗约约为220。本实验验使用AADLIINK公公司的DDA

57、Q220100采集卡卡产生信信号并进进行数据据采集，同时发发出控制制脉冲来来控制继继电器。选取开开始放电电时的电电压值与与放电2200mms时的的电压值值，代入入（3311）式计计算出漏漏电阻，得到的的实验结结果如下下图：图3-88 松松下聚酯酯膜电容容等效漏漏电阻从上图可可以看出出，电容容漏电阻阻基本在在左右，所所以电容容后端运运放的输输入阻抗抗必须远远远大于于电容的的漏电阻阻，这样样才能不不明显地地减小电电容放电电回路的的电阻。3.3.3电容容保持效效果测试试由于电容容的非理理想性，电容上上的电压压会随着着时间的的推移不不断衰减减。根据据RC电电路放电电公式容容易知道道，电容容上电压压的衰

58、减减先快后后慢。以以时的衰衰减情况况为例：图3-99 电电容对信信号的衰衰减情况况从图中可可以看出出，电容容电压在在前两秒秒衰减迅迅速，之之后衰减减变得较较为缓慢慢，因此此延长电电容保持持时间有有助于减减少误差差，但是是对积分分器来说说，积分分时间越越长漂移移越严重重，所以以需要在在两者间间取一个个平衡点点。规定衰减减量=初初始电压压绝对值值-末电电压绝对对值。测测试电容容在前55秒的衰衰减情况况测试电电路如图图3-77所示，结果如如下：图3-110 电容对对信号的的衰减情情况从图3-10可可以看出出，电容容对信号号的衰减减具有线线性，都都随着电电压绝对对值的增增大而变变大，并并且正负负电压的

59、的情况关关于纵轴轴基本对对称。利用函数数拟合可可得到曲曲线的近近似拟合合表达式式：（3222）（3223）其中，；，；。3.3.4模拟拟开关下下的保持持效果测测试继电器的的优点在在于当开开关断开开后，开开关两端端的电阻阻是真正正的无穷穷大。虽虽然开关关的响应应延迟可可以通过过调节控控制信号号的时序序来解决决，但是是继电器器弹簧的的性能会会随着使使用次数数的增多多而发生生变化，那么响响应时间间也就随随之改变变。经过过调研发发现MAAXIMM公司的的MAXX46664模拟拟开关导导通电阻阻最大为为 221，其导导通电阻阻仅有，所以对对电容充充电的时时间常数数影响不不大。但但是其阻阻断电阻阻没有PP

60、DF文文档资料料中介绍绍的那么么理想，并且模模拟开关关作为有有源器件件，会对对电容的的保持效效果产生生影响。将图33-7中中的开关关换成MMAX446644开关，同时为为了测试试模拟开开关断开开后输入入是否仍仍然对输输出产生生影响，将输入入信号分分别设为为单次方方波和直直流信号号，其中中直流信信号在开开关断开开后仍然然存在，测试信信号5秒秒的衰减减量，并并将测得得结果与与继电器器时的情情况作对对比得到到下图：图3-111 模拟开开关与继继电器的的对比情情况由于模拟拟开关的的断开状状态并不不是完全全意义上上的断开开，所以以电容的的泄漏回回路就包包括电容容本身的的漏电阻阻，射极极跟随器器以及模模拟