基于MSP430F1121單片機的Σ-ΔA/D轉換器方案

Σ-ΔA/D技術具有高分辨率、高線性度和低成本的特點。本文基于TI公司的MSP430F1121單片機，介紹了采用內置比較器和外圍電路構成類似于∑-△的高精度A/D實現方案，適合用于對溫度、壓力和電壓等緩慢變化信號的采集應用。

在各種A/D轉換器中，最常用是逐次逼近法(SAR)A/D，該類器件具有轉換時間固定且快速的特點，但難以顯著提高分辨率；積分型A/D 有較強的抗干擾能力，但轉換時間較長；過采樣Σ-ΔA/D由于其高分辨率，高線性度及低成本的特點，正得到越來越多的應用。根據這些特點，本文以TI公司的MSP430F1121單片機實現了一種類似于Σ-ΔA/D技術的高精度轉換器方案。

MSP430F1121是16位RISC結構的FLASH型單片機，該芯片有14個雙向I/O口并兼有中斷功能，一個16位定時器兼有計數和定時功能。I/O口輸出高電平時電壓接近VCC，低電平時接近Vss，因此，一個I/O口可以看作一位DAC，具有PWM功能。

該芯片具有一個內置模擬電壓比較器，只須外接一只電阻和電容即可構成一個類似于Σ-Δ技術的高精度單斜率A/D。一般而言，比較器在使用過程中會受到兩種因素的影響，一種是比較器輸入端的偏置電壓的積累；另一種是兩個輸入端電壓接近到一程度時，輸出端會產生振蕩。

MSP430F1121單片機在比較器兩輸入端對應的單片機端口與片外輸入信號的連接線路保持不變的情況下，可通過軟件將比較器兩輸入端與對應的單片機端口的連接線路交換，并同時將比較器的輸出極性變換，這樣抵消了比較器的輸入端累積的偏置電壓。通過在內部將輸出連接到低通濾波器后，即使在比較器輸入端兩比較電壓非常接近，經過濾波后也不會出現輸出端的振蕩現象，從而消除了輸出端震蕩的問題。

利用內置比較器實現高精度A/D

圖1是一個可直接使用的A/D轉換方案，該方案是一個高精度的積分型A/D轉換器。其基本原理是用單一的I/O端口，執行1位的數模轉換，以比較器的輸出作反饋，來維持Vout與Vin相等。

基于MSP430F1121單片機的Σ-ΔA/D轉換器方案

圖1 利用MSP430F1121實現的實用A/D轉換器電路

如圖1所示，產生1位DAC的電路為一路通用I/O口、一個串聯的電阻和電容。在電容上產生Vout，要維持Vout=Vin，必須通過 I/O口對電容進行充放電，而由比較器的輸出來決定是進行充電還是放電(即I/O口輸出高低電平)，這樣A/D形成了一個類似于帶負反饋的閉環系統。以圖 1的電路為例，當比較器輸出為高電平時，說明Vout＞Vin，此時應對電容放電，則I/O口輸出低電平；當比較器輸出為低電平時，說明Vout ＜Vin，應對電容充電，則I/O口輸出高電平。

充、放電維持的時間確定的方法是每隔一個極短且固定的時間t后，查詢比較器的輸出狀態，如果比較器的輸出狀態沒變，則維持I/O口的輸出；當比較器的輸出狀態發生改變，則I/O口的輸出狀態也應改變。因此，I/O的某一狀態(高/低電平)維持的時間可能是Xt(X為整數)，從而在整個A/D轉換過程中，形成了一系列的X1、X2、…、Xi、…、 Xn。Xn為一隨機數，其值由比較器的輸出狀態而定。在每個單位時間t后，如果I/O口的輸出為高電平，則事先設定的計數加1，當A/D轉換完成后，記錄下I/O口輸出高電平的次數為m。

而A/D轉換完成的時間主要取決于對A/D轉換的精度要求。當要求一個12位的A/D，則其時間為4096t，即對比較器輸出作 4096次查詢，每次查詢間隔時間為t(參考后面的程序及說明)。同樣16位的A/D的時間為65535t。在此，將對應轉換精度要求的4096或 65535設為N，并結合上文所述，N=X1+X2+……Xn。

那么結合電容的充放電公式：

V(t)=V(1-exp(-t/RC))

可對積分型A/D作以下數學上的推斷，從而求出Vin。

N=X1+X2+……Xn

高電平的次數為m

假設：Vin(t)=Vin

根據Vout=Vin和電容的充放電的公式可得：

Vout(t)=Vin+m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC))-(N-m)Vin(1-exp(-t/RC)

m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC))為充電過程

(N-m)Vin(1-exp(-t/RC)為放電過程

因此：Vin=Vcc×m/N (1)

上式成立的前提條件是Vin 在短時間內不變，且對確定Vout的電容要預充電，在開始進行A/D轉換前使Vout=Vin，即通過I/O口對電容預充電使比較器在發生第一次翻轉后，開始進行積分A/D轉換。

如果對(1)式作一些處理，可使得A/D轉換的處理更加方便：如果電源電壓Vcc為3.0V，取N=3000，則分辨率為1mV，當m= 1245時， Vin=1.245V；如果N=30000，則分辨率為0.1mV，在m=12456時，則Vin=1.2456V。這樣，只要通過對m的確定就可以得到 Vin的值，避免了直接用公式(1)帶來的計算上的麻煩。

基于MSP430F1121單片機的Σ-ΔA/D轉換器方案