用PIC16C73單片機實現十二位A/D轉換器

1 引言
為監測海洋生態環境，研制了用于海水有機磷農藥現場監測的生物傳感器。為測定生物傳感器的信號，使傳感器可用于船載及臺站的海洋生態環境現場自動監測，需要對整個的采樣和排液裝置進行控制以及對傳感器來的信號進行實時采集處理，形成有機磷的濃度傳給上位機。為此，開發了以PIC16C73單片機為核心的小型測控儀器，很好的完成了上述功能。PIC1673單片機自帶8位的A/D轉換器，但不能滿足系統對精度的要求，本設計在單片機自帶8位A/D基礎上加少量的硬件和軟件開銷，使其擴展為十二位A/D轉換器，滿足了系統的要求。
2 系統構成原理
PIC16C73單片機最大的特點是自帶8位A/D轉換部件，共有5路A/D通道模擬輸入。這些多通道模擬輸入共用一個采樣/保持電路，采樣/保持電路的輸出是A/D轉換器的輸入。A/D轉換器采用逐次逼近法進行模數轉換。其模擬基準電壓可軟件編程選擇，即從RA3/VREF引腳上外加電壓值，以滿足更高轉換精度的需要。
2.1采樣系統的硬件原理
在本應用中，我們用RA0口作為濃度電壓信號模擬輸入通道。為了減小模擬電壓信號高頻部分的影響，我們在RA0口前接了一高頻濾波電路，濾除高頻部分的干擾信號。整個海
水樣品數據采集部分由基準電壓產生電路,傳感器前置偏移調整電路和擴展十二位A/D轉換器電路組成。

2.1.1基準電壓產生電路
A/D轉換精度首先要依賴于有高穩定度的基準參考電壓，調節芯片為LM336-2.5,其動態電阻的典型值為0.2Ω，且溫度穩定度很高，在常溫25℃時，幾乎不隨溫度的改變而變化。其應用電路如圖1，調節VR1使輸出的基準電壓VREF為2.55V。
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2.1.2 傳感器前置偏移調整電路
由于本系統所采用的電位型生物傳感器可以等效為一個電壓源與輸出阻抗的并聯，其輸出阻抗很高，可達,遠遠大于常規信號放大電路的輸入阻抗。如果直接連接，阻抗不匹配，將很難得到準確的電壓信號。同時，海水有機磷生物傳感器輸出的電壓信號,其范圍是-204.8mV到+204.7mV,而單片機A/D采集的模擬輸入電壓必須在 VDD與VSS之間，信號不符合A/D輸入模擬電壓的要求。因此，在放大電路前，設計了一級傳感器前置偏移調整電路，如圖2所示。
其中由運算放大器U2組成射極跟隨器，進行阻抗變換。運算放大器選用7650，其共模輸入阻抗高達可達，故轉換網絡的的輸入阻抗可達，輸出阻抗很小，可以保證傳感器電位差信號不衰減的傳輸至跟隨器的輸出端。采用 U3組成的加法器調整電壓的范圍，調整VR35和VR37使OUT端的輸出電壓范圍為0～-0.4095V，再經下一級放大傳輸至A/D輸入端。
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2.1.3 十二位A/D轉換器擴展電路
因PIC1673B內部自帶的8位A/D轉換器采用逐次逼近法進行模數轉換，所以實現精度擴展的電路也采用逐次逼近的方法。硬件原理如圖3所示,由精密運放ICL7650,模擬開關74HCT4066及精密可調電阻組成。

2.1.4 電阻參數選擇
由圖3可知，運算放大器U1的輸出作為A/D轉換器的輸入，在4066的所有的開關都關閉的情況下，則輸出的模擬電壓:
，（U2為前置偏移調整電路的輸出）??? （1）
取R3=10R2則,運算放大器U1輸出數據的范圍在0～4.095V之間，因基準電壓為2.55V,如果輸入的數據大于等于2.55V,則A/D轉換之后讀入的值為0FFH，此時轉換的數值就大于八位，在程序中置位RA4、 RA5 、RA2、RA1中的某一位使模擬開關打開，此時運放U1的輸出電壓U0可表示為：?
???? （2）
當RA1置1使相連的模擬開關導通時，所接電阻VR5的值應使?
??? （3）
即VR5導通時所接到運算放大器輸入端的電壓為十六進制數為800H所對應的電壓。而RA2、RA4、 RA5置1使相連的模擬開關導通時，所接到運算放大器輸入端的電壓依次為十六進制數400H，200H，100H所對應的電壓。相應的各電阻值和VR5及VR2之間的關系為
?? (4)
2.2擴展A/D轉換器軟件原理
在程序中啟動A/D轉換后，等待A/D轉換結束，讀取八位轉換結果，若為0FFH，說明輸入端RA0/AN0已大于或等于基準VREF ，此時從高四位的最高位開始試探，先使最高位即RA1對應的位置1，然后再次轉換，如果轉換后的結果依然等于0FFH,則保留最高位的1，使次高位即RA2對應的位置1；如果轉換后的結果為00H,則把最高位清零，使次高位即RA2對應的位置1。再次讀取轉換的結果，如果還等于0FFH則保留RA2的1，使RA4對應的位置1；若讀取的轉換結果為0，則清零RA2,置位RA4。依次循環完四位，得到最終高四位的值。程序流程如圖4所示。
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3 結束語
通過軟件和硬件的配合，在PIC1673自帶的八位A/D轉換器基礎上，擴充了十二位的A/D轉換器,既滿足了系統測試精度的要求，又用了很少的硬件開銷。此方法用在有機磷的測試系統上，經實驗，速度和精度都能滿足系統要求。此方法也可以用在其它需要擴充A/D轉換精度的控制系統中，不失為一種很好的解決精度擴展的方案。