|
在低成本智能儀表的設(shè)計(jì)過程中優(yōu)先考慮的是成本問題，作為核心部件的單片機(jī)通常選用低檔的8位機(jī)或4位機(jī)。就目前的情況而言，自帶A/D轉(zhuǎn)換的低檔單埏機(jī)價(jià)格昂貴，在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集要時(shí)往往通過外部A/D轉(zhuǎn)換器件，這在很大程度上增加了系統(tǒng)的成本。例如，目前AT89C2051單片機(jī)的零售價(jià)僅 7～8元，而中速A/D轉(zhuǎn)換器件的價(jià)格大都在20元以上。本文介紹的低成本A/D轉(zhuǎn)換方法僅使用兩片通用、廉價(jià)的器件就能達(dá)到中速A/D轉(zhuǎn)換的速度和低于 16位的轉(zhuǎn)換分辨率。 1 原理 有一線性良好的鋸齒波信號，最大幅度為Vmax，正程（0～Vmax）的掃描時(shí)間為t2（如圖1中的直線OB），在正程掃描期間的某一時(shí)刻t所對應(yīng)的電壓Vt為Vmax（t/t2）。圖1中的曲線CD為一待測模擬信號，兩信號在A點(diǎn)相交，時(shí)間為t1，不難理解，線性鋸齒波在A點(diǎn)的幅度就是待測的模擬信號的大小，其值Vt1可以表示為：Vt1=Vmax（t1/t2）。這就是說，可以采用一種方法將待測的模擬信號與線性鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)線性鋸齒波在某一時(shí)刻的幅度超過待測模擬信號的幅度時(shí)就會引起比較器輸出狀態(tài)的改變。因此，測出比較器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間，就能通過計(jì)算得到待測模擬信號的大小。 2 電路及A/D轉(zhuǎn)換的過程 圖2給出了具有8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換電路。圖中，IC1為AT89C2051單片機(jī)，其P1.0和P1.1除了具有通用I/O口線的功能外，還是內(nèi)部模擬比較器的同相輸入端和反相輸入端，比較器輸出的結(jié)果在內(nèi)部連接到P3.6。IC2和IC3為線性鋸齒波產(chǎn)生電路，其正程開始掃描的時(shí)刻由單片機(jī)的 P3.7控制。IC3為一雙輸入與非門緩沖驅(qū)動器，這里等效為一個開關(guān)。當(dāng)P3.7=0時(shí)，開關(guān)斷開，C1通過R1、W1充電，線性鋸齒波開始正程掃描，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器0開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖為單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘。待測的模擬信號從P1.1輸入，因?yàn)榫�性鋸齒波電壓是從0開始線性遞增的，所以在開始正程掃描的時(shí)刻，P3.6為0.當(dāng)鋸齒波的電壓線性遞增到超過待測模擬信號的電壓時(shí)，比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，P3.6為1，此時(shí)定時(shí)器0的數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，也就是圖1中所示的t1，通過前面的公式就可以得到待測模擬電壓的值。其程序框圖如圖3所示。 3 線性鋸齒波電路參數(shù)的確定 AT89C2051單片機(jī)的定時(shí)器0是一個16位計(jì)數(shù)器，因此這種方法所能達(dá)到的最高分辨率為16位，在最高時(shí)鐘頻率下（24MHz）完成一次A/D轉(zhuǎn)換的最長時(shí)間約為33ms。在實(shí)際應(yīng)用過程中不一定使用這么高的分辨率，在8位分辨率的情況下完成一次A/D轉(zhuǎn)換的最長時(shí)間為128μs。下面以8位分辨率為例介紹鋸齒波電路參數(shù)的確定方法。 對于圖2電路，當(dāng)P3.7輸出為低時(shí)，鋸齒波正程掃描開始，C1經(jīng)R1、W1充是，其電壓Vc1為： Vc1=Vcc×(1-e-(t/τ)) 其中τ=（R1+Rw1）C1 如果運(yùn)放IC2：B將Vc1放大10倍，其輸出為： Vo1=[1+(R3/R2)]Vc1 =10Vcc（1-e-(t/τ)） 因?yàn)镮C2：B的輸出并不是線性鋸齒波，所以增加一級IC2：A用作非線性補(bǔ)償，其輸出電壓Vo2可表示為： Vo2=Vi2=(Vo1+Vc3)/2 =[10Vcc(1-e-(t/τ))+Vo2(1-e-(t/η)12)]/2 式中：Vcc=5V；η=(R5+Rw2)C3 上式經(jīng)過整理可得： Vo2=50(1-e-(t/τ))/(1+e-(t/η)) 上式就是線性鋸齒波的理論表達(dá)式，通過合理選擇τ、η的值，就可以得到線性良好的鋸齒波。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們通過一段C語言程序可根據(jù)上式先從理論上求得最佳的τ、η的值，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。其程序如下： ＃i nclude<stdio.h> ＃i nclude<math.h> int main(void) { int τ=640, η=610； /*預(yù)置τ、η的值*/ double result,result-bak=0; double t,x,y; system(“cls”); /*清屏幕*/ for(t=0;t<=127;t+=0.5)/*8位分辨率時(shí)，鋸齒波的正程為128微秒*/ { x=-t/τ; y=-t/η; result=50*(-exp(x))/(1+exp(y)); printf(“%4fmV”,(result-result-bak) 1000);/*每0.5微秒遞增的電壓（mv）*/ result-bak=result; } } 在τ=640μs、η=610μs時(shí)，通過上述編程處理，可使鋸齒波非常接近線性，每μs的線性誤差均在0.1mV以內(nèi)，完全可達(dá)到8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換的要求。 4 誤差分析及補(bǔ)償 采用該方法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的誤差來源主要有兩個，第一是鋸齒波的非線性此起的誤差，根據(jù)上面的敘述，鋸齒波的非線性基本上對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果不產(chǎn)生影響；第二是單片機(jī)在控制A/D轉(zhuǎn)換的過程中引出的，這包括三個方面：其一是在“打開轉(zhuǎn)換開關(guān)”和“定時(shí)器開始計(jì)數(shù)”這兩個動作中單片機(jī)不可能同時(shí)完成；其二是單片機(jī)判斷片內(nèi)模擬比較器翻轉(zhuǎn)的過程需要兩個機(jī)器周期，而計(jì)數(shù)器最小的計(jì)數(shù)單位為1個機(jī)器周期；第三個原因是單片機(jī)確認(rèn)模擬比較器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)和關(guān)閉定時(shí)器不可能同時(shí)完成。對于第一和第三種情況引起的誤差，由于它的確是指令執(zhí)行所引起的，其誤差的數(shù)值取決于指令執(zhí)行的時(shí)間，因而在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)將定時(shí)器0的值減去這個時(shí)間就可以了；而第二種情況引起的誤差是無法進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹?/P> 5 結(jié)束語 采用本文所述的方法所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成本低廉，接口簡單，具有較高的性能價(jià)格比。需要指出的是，為保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，應(yīng)采用高穩(wěn)定的積分電容（C1、C3）。 | 
66821730(技術(shù)支持)
