基于單片機(jī)的雙積分型A/D電路設(shè)計(jì)

A／D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部分，也是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一種重要的功能接口。目前市場(chǎng)上有兩種常用的A／D轉(zhuǎn)換芯片，一類是逐次逼近式的，如AD1674，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較高，功率較低。另一類是雙積分式的，如ICL7135，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾能力強(qiáng)。但高位數(shù)的A／D轉(zhuǎn)換器價(jià)格相對(duì)較高。本文介紹的一種基于單片機(jī)的高精度、雙積分型A／D轉(zhuǎn)換電路，具有電路體積小、成本低、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試容易和工作可靠等特點(diǎn)，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 雙積分式ADC基本原理

雙積分式ADC的基本電路如圖1所示，運(yùn)放A 1、R、C用來組成積分器，運(yùn)放A2作為比較器。電路先對(duì)未知的模擬輸入電壓U1進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分，然后轉(zhuǎn)為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓U0進(jìn)行反向積分，直到積分輸出返回起始值，反向積分時(shí)間為T0。如圖2所示，輸入電壓U1越大，則反向積分時(shí)間越長(zhǎng)。整個(gè)采樣期間，積分電容C上的充電電荷等于放電電荷，因而有由于U0及T1均為常數(shù)，因而反向積分時(shí)間T0與輸入模擬電壓U1成正比，此期問單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值與信號(hào)電壓的大小成正比，此計(jì)數(shù)值就是U1所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。





2 實(shí)用雙積分A／D轉(zhuǎn)換電路

1)硬件電路圖

如圖3所示，運(yùn)放A1、R、C構(gòu)成積分電路，C常取0．22μF的聚丙烯電容，R常取500kΩ左右，A2是電壓跟隨器，為電路提供穩(wěn)定的比較電壓，運(yùn)放 A3作為電壓比較器，保證A／D轉(zhuǎn)換電平迅速翻轉(zhuǎn)，CD4051是多路選擇開關(guān)，單片機(jī)P1．0、P1．1、P1．2作為輸出端口，控制其地址選擇端A、 B、C選擇不同的通道輸入到積分器A1，U為將要進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓，Uin為積分器的輸入電壓，U0為比較電壓，U1為基準(zhǔn)電壓，為使A／D 轉(zhuǎn)換結(jié)果具有更高的精度，基準(zhǔn)電路應(yīng)該提供精確的電壓，建議使用精度為1％的精密電阻，單片機(jī)使用89C51，其內(nèi)部定時(shí)器T0為積分電路提供精確的時(shí)間定時(shí)，計(jì)數(shù)器T1用來記錄反向積分時(shí)間，INT0用來檢測(cè)比較器電平變化。所需測(cè)量的模擬輸入信號(hào)和零點(diǎn)參考電壓以及基準(zhǔn)電壓接到多路選擇開關(guān)的輸入端，通過單片機(jī)中的程序控制，輪流選擇接入各路輸入信號(hào)，通過積分電路分別和固定電壓進(jìn)行定時(shí)或定值積分。



積分電路的輸出信號(hào)作為比較器的輸入信號(hào)與比較電壓進(jìn)行比較，當(dāng)比較器輸出翻轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)，CPU計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，從而獲得零點(diǎn)參考電壓的計(jì)數(shù)值，對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算后，完成A／D轉(zhuǎn)換。

2)轉(zhuǎn)換過程

為了給積分電路提供積分零點(diǎn)，在系統(tǒng)上電階段，積分電路先接通GND，待比較器輸出為低電平時(shí)，再對(duì)積分電路進(jìn)行一段時(shí)間的放電，以使得積分電容零電荷。因此雙積分電路的工作過程分為三個(gè)階段：

(1)清零階段：當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，積分電容上聚集了大量電荷，必須對(duì)其放電為后續(xù)的A／D轉(zhuǎn)換提供精確的零起始點(diǎn)。即對(duì)U0進(jìn)行定值積分，由由此可見放電時(shí)間根據(jù)U0、U1、R、C具體值而定。

(2)積分階段：對(duì)模擬輸入電壓Uin進(jìn)行固定時(shí)間積分，積分時(shí)長(zhǎng)T1，由A／D的精度決定，精度越高積分時(shí)間越長(zhǎng)，此階段積分器的輸出電壓

(3)比較階段：對(duì)模擬輸入電壓進(jìn)行定時(shí)積分后，再對(duì)零電平進(jìn)行反向積分直到比較器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，此階段積分器的輸出電壓為由比較器原理得U10=U1，由此可得

其中T1、U0、R、C、U1均為常數(shù)，即對(duì)零電平的積分時(shí)間T0與模擬輸入電壓U成正比，T0即為所求值。具體轉(zhuǎn)換波形如圖4所示。



3)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器T0分別控制對(duì)基準(zhǔn)電壓和模擬電壓的定時(shí)積分，計(jì)數(shù)器T1用來記錄反向積分時(shí)間，P1．0、P1．1、P1．2控制多路選擇開關(guān)的通道，且單片機(jī)以查詢方式檢測(cè)比較器的輸出電平。以上分析可知該系統(tǒng)A／D轉(zhuǎn)換流程圖如圖5所示。



3 電路特點(diǎn)分析

由上述分析可知，模擬電壓U大于基準(zhǔn)電壓U1時(shí)，在對(duì)模擬電壓U定時(shí)積分后對(duì)零電平進(jìn)行定值積分，波形圖如圖4所示。而當(dāng)模擬電壓U小于基準(zhǔn)電壓U1時(shí)，在對(duì)模擬電壓U定時(shí)積分后應(yīng)對(duì)U0進(jìn)行定值積分，只需在軟件設(shè)計(jì)上加以區(qū)別或提供負(fù)值的基準(zhǔn)電壓即可。本電路充分利用了單片機(jī)成本低廉、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，主要元件僅僅為一個(gè)單片機(jī)89C5 1、一個(gè)多通道模擬開關(guān)CD4051、一個(gè)四運(yùn)放LM324，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高。實(shí)際應(yīng)用表明，此雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是工作性能穩(wěn)定并且抗干擾能力比較強(qiáng)，但從原理分析可知，該電路存在固有的延遲，因此不適合采集連續(xù)快速變化的信號(hào)。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)電路保留了雙積分A／D轉(zhuǎn)換的主要特點(diǎn)，且整個(gè)電路構(gòu)成的成本非常低廉。只要合理選擇、調(diào)整電路參數(shù)，減少數(shù)據(jù)處理誤差，就可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換精度和速度，且具有轉(zhuǎn)換過程簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換精度高和成本低等突出的特點(diǎn)。因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及其他應(yīng)用系統(tǒng)中有很好的使用價(jià)值。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：本文采用了多路選擇開關(guān)CD4051實(shí)現(xiàn)了積分器輸入變量的轉(zhuǎn)換，單片機(jī)控制其通道的選擇，完成了清零、積分、比較各環(huán)節(jié)，完成雙積分A／D，此電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。