前言

80C196KB是MCS－96系列產品中的采用CHMOS工藝的器件，其片內集成了A/D轉換模塊，包括一個8通道的模擬多路開關，一個采樣和保持電路以及一個10位的逐次逼近A/D轉換器。充分利用80C196KB的片上A/D轉換資源即可以簡化硬件，降低成本，又簡單容易實現。國內供貨也相對容易。本文就是利用80C196KB的片上A/D轉換完成了數據采集系統。

系統的硬件結構

本系統以80C196KB為核心，進行了必要的擴展。系統結構框圖如圖1所示。鍵盤用于輸入及功能選擇，LCD用于顯示測量結果，RAM用于存儲采集的數據和處理的數據。另外，因為80C196KB本身不帶ROM，所以要擴展外部ROM作為程序存儲器。

A/D轉換接口電路

80C196KB模擬輸入端的外部電路應根據應用的需要來設計，它的好壞直接影響變換器的性能。在設計外部電路時，應當考慮到輸入端的泄漏電流、采樣電容的大小以及多路開關的串聯電阻等重要因素。

80C196KB模擬輸入端的等效電路如圖2所示。V為外加信號源，Rs為信號源內阻，外部輸入信號必須通過Ri才能對采樣電容Cs充電。輸入端的泄漏電流為Ix。就80C196KB而言。在模擬信號的輸入端外接一個足夠大的電容可以降低信號源內阻的影響。80C196KB片內采樣電容約為2pF，外接一個0.005mF（2048×2pF）的電容時，可以提供約±0.5LSB精確度的輸入電壓。如果該電容本身有漏電流，應適當增加電容值以補償漏電流。

假設只有80C196KB的3mA直流漏電流，那么這0.005mF的外接電容在1mS內僅下降0.6mV（小于0.15LSB）。因此這一外接電容一般至少為0.005mF，這樣有利于提高轉換精度。

圖3給出了根據上述原則構成的一個簡單的模擬輸入接口。圖中還增加了過壓和反壓保護二極管，起保護作用。當輸入出現反壓時，D2正向導通，把外部輸入信號箝位于-0.6V。由于片內也設置了輸入引腳最低可達-0.3V，這樣，在270W的電阻上大約有0.3V的壓降或大約1mA的電流，從而可對芯片起保護作用。

軟件算法

數據處理的準備

讀AD_RESULT寄存器可以得到A/D轉換的狀態。新的轉換啟動后，AD_RESULT被清零，所以寄存器中的值要及時讀出，轉換結果是輸入電壓與參考電壓之間的比率，計算公式如（1）：10位結果：

可見，標定過程用到了加法、乘法和除法。為了提高標定的精度必然要用到浮點計算。下面分析最終A/D轉換結果應保留的位數：

（1）A/D轉換為10位，量程為5V，5V/1023=0.00489V，這里取0.005V。

（2）浮點運算精度遠高于此精度，所以最終結果保留3位小數是有意義的，再高就沒意義了。

采用四字節浮點數運算對采集數據進行處理浮點數有各種各樣的表示方法，為了統一浮點數的格式，IEEE提出一種浮點數標準。它有幾種精度，其中包括單精度（4字節）、雙精度（8字節）和擴展精度（10字節）。其中最常用的是單精度浮點數。但在編寫運算程序時，IEEE標準的單精度浮點數有兩個方面的問題：

（1） 階碼雖然為8位，但它的地址不為一個字節，運算尋址不太方便。

（2） 尾數為大于等于1小于2的混合小數，在執行乘法時不太方便，特別是不容易實現快速除法。

為了避免這兩個問題，本文采用的是一種與IEEE標準的浮點數格式基本相同，但結構略有不同的四字節浮點數，格式如下：

該格式中，最高位為數符位，后面23位為尾數。由于該四字節浮點數必須為規格化數，所以除了零以外，尾數最高位總為1。為了節省存儲空間，在存放時，采用IEEE標準的方式，不存放最高位的1。這樣，23位尾數還需加上隱含的最高位1，構成一個定點原碼24位小數，即尾數為小于1大于等于0.5的小數。最低8位為階碼，它采用移位，與IEEE標準相同，階碼等于實際階碼數值加上127。這種四字節浮點數的取值范圍為：±（5.9×10-39~1.7×1038），精度為24位二進制數，即截斷誤差小于1/16777216。

單精度的浮點數運算的精度遠高于80C196片上A/D轉換的10位二進制數，足可以滿足要求。

由于A/D轉換結果的低位寄存器只用了高兩位，為了方便存儲，用兩個字節存儲。高字節存高8位，低字節只用高兩位來存放轉換結果的最后兩位，低字節的后6位置零。

另外，因為最后結果要保留3位小數，而如果運算過程中涉及小數會使運算比較麻煩，因而將要處理的數據都擴大1000倍。這樣，只要在最后結果顯示時將小數點前移3位即可。綜上，用浮點運算進行數據處理的流程如圖4所示。

通過實驗改進處理過程

按上面所描述的方法，對采集結果進行標定，由初次實驗得到的實驗數據發現，測得數據比實驗數據偏高，進一步發現當輸入電壓為零時系統仍測得為0.02V，也就是說存在零點誤差。而測得電壓一直比實際電壓高也是由此零點誤差引起的。通過在軟件中消去直流誤差，同時從參考電壓 方面考慮，為了提高測量結果的精度，采取了兩種措施：①硬件上用專門的電源芯片提供高精度的參考電壓。②軟件上對參考電壓的誤差進行補償。后者靈活性較大，簡單易行。

系統完成后，由于電路上的壓降及各個芯片的影響，測得進入單片機的參考電壓實際只有4.91V，用這個電壓值來修正開始值 ，再進行實驗，其實驗結果就比較理想了。最終，測量的相對誤差在0.5％以內，絕對誤差也不超過0.02V。

結語

在10位A/D轉換滿足精度要求的前提下，充分利用80C196KB的片上A/D轉換，既可以簡化系統又簡單易行。而對高精度測試測量，浮點運算是必不可少的。而且A/D轉換中，模擬信號接口電路、零點誤差的消除，以及參考電壓的修正都是必要的，因而本文介紹的A/D采集及數據處理有很強的通用性。尤其是對高精度測量系統，有一定參考價值。

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