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利用片内比较器为单片机增加A/D转换器

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发表于 2016-8-15 15:57 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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许多单片机内部都有模拟比较器,利用该比较器可以构成不同精度的A/D转换器。本文介绍利用单片机片内比较器构成的三种A/D转换器。
" @1 L* s$ u5 D; ~1 V; A% I; b) O    一、经济型A/D转换器   
' z8 @7 Y! h" Z1 f: s- \    单片机片内比较器外加一只电阻和一只电容可方便地构成A/D转换器,其工作原理如图1所示。CPU为AT89C2051。当P1.5 为高电平时,幅值接近Vcc的电压通过电阻R对电容C充电,当C上的电压充至与P1.1脚的被测电压相等时,CPU内部的P3.6由低变高。从P1.5变高到P3.6变高的时间与被测电压的关系为Vc=Vcc(1-e-1/RC)。其中Vc为被测电压,Vcc为工作电压(通常为5V),t为充电时间。( ?- l) \7 I1 `: F8 l0 S! _$ j
  由此构成的A/D转换器有以下缺点:1. 精度和线性度较低。受电源电压、逻辑电平的高低、程序执行时间、RC时间常数等的影响,精度、分辨率、线性度通常低于6~7位。2. A/D转换时间较长。充放电时间通常为10ms左右,且充电时间的延长不能换来A/D精度、线性度和分辨率的提高。3. 由于充电曲线为非线性指数函数,需用浮点计算。为简化软件设计,常采用查表法。表格中的数据与RC时间常数、程序执行时间相关,当RC的值发生变化时,与表中数据的对应关系受到影响,较难补偿。4. A/D转换的休止期较长,几乎和A/D转换时间相同。5. 数字逻辑电平的高低影响电容的充放电,直接影响A/D转换的精度。当用作比较粗糙的A/D时,此法不失为一个经济的方案。
. y$ [5 x0 b& ^6 X' g    二、单积分式A/D转换器
; Z! k, Z& D# F) m( g    若对A/D的精度和线性度有更高的要求,可采用图2所示电路。增加的元件不多,但性能得到大幅度提高,此时电容为恒流充放电。当P1.5为低电平时,R2、Q2、D1形成恒流源。假定恒流源用I0表示,则:8 E. }7 i) W1 J
    I0=(D1的结电压-Q2的e-b结电压)/R2……(1)
4 G- _: H- l& E2 A4 F% L    通常,D1的结电压为0.7V左右,Q2的e-b结电压为0.3V左右,两者在固定的静态工作条件下为定值,因此I0与R2成反比。当R2为定值时,I0为定值,且与电源电压Vcc无关,与P1.5输出的低电平的幅度关系不大,只要保证Q2导通即可。其工作原理为:当P1.5为低电平时,Q1截止,恒流源对电容C1充电。若充电时间为T,则电容C1上的电压为) d6 Z+ Y0 y( f4 }: Z
    Uc=I0×T/C1……(2), q% M' u! C& m. ~4 i4 K
    因I0和C1为定值,故Uc与充电时间T成正比。当C1上的电压大于被测的输入电压时,89C2051内部比较器翻转(P3.6变高),CPU只要记下从P1.5变低到P3.6变高的时间即为A/D转换的结果。转换完毕后,P1.5变为高电平,Q2截止,Q1导通,C1通过Q1快速放电,完成A/D转换的复位,为下一次A/D转换作准备。这就是典型的单积分式A/D转换器。
/ p: T6 V% U. ?1 @  为便于读者分析和灵活设计,本文给出有用的几组仿真图表和几个计算公式及补偿参数。读者可以根据这些图表选择R2和C1,设计不同性能的A/D转换器。图4中,a点波形为CPU的P1.5的输出波形,OUT为C1上的电压波形,也是模拟比较器的一路输入电压。从图4可以清楚地看到A/D转换器的工作过程。; Q3 g, D" P& Q+ f7 ?
    将OUT点的波形放大,可以看出,当CPU的工作电压为5V时,C1上的电压最高可充至4.6V,且C1上的电压是线性增加的。为了得到更佳的线性度和提高A/D的转换速度,规定被测输入电压为0V~2.5V。A/D转换时间小于2ms。    
; {/ L8 s8 x9 M; P5 e% J# S  改变R2、C1,可以获得不同速度、不同精度和分辨率的A/D转换器。R2越大,C1充到2.5V所需时间越长,分辨率越高。若CPU采用12MHz的晶振,定时器T1作为A/D转换时间计数器,当P1.5变低启动A/D转换时,允许T1开始定时,一直计到比较器输出变高为止,若需要8位A/D,可选择R2=20kΩ,C1从0V充电至2.5V的时间为392μs。若T1的定时时间大于392μs,T1中断,认为输入电压高于2.5V; 若T1的定时时间小于392μs,则定时时间即为8位A/D转换结果。若需10位A/D,可选R2=80kΩ,C1从0V充至2.5V所需时间为1490μs。若T1的定时时间大于1490μs,T1中断,认为输入电压高于2.5V; 若T1的定时时间小于1490μs,定时时间即为10位A/D转换结果。6 F3 G3 S- B6 W$ `
    C1=2700pF,R2在不同阻值下A/D转换的满度值见下表。
, }, b& }0 }# s* O: P$ c   R2  A/D转换满度值   低端死区值t0
8 N6 {$ ]' _; z  A1 c6 |( A5 j( ^( Y     20k         392μs               4 μs
& @1 G/ c/ m. w: w  q     30k         575 μs              6 μs
9 U* o; z' Q3 n+ J8 `& ~# Z( m     40k         762 μs              9 μs
5 N# V  H) I" |1 r( D- ]/ {7 o' H     50k         944 μs              11 μs
9 H; Y% n3 T$ O9 R; u, p: ?7 }3 v. m     60k         1138 μs            14 μs
0 {4 }3 c6 N- ^0 Z     70k         1312 μs            18 μs
4 N( h) i2 ]8 |  |) s     80k         1490 μs            19 μs
/ b- E3 b3 s" y- q2 `     90k         1672 μs            20 μs7 m& n" N( x& u7 P
     100k       1858 μs            24 μs& q+ W1 k: T; k! `
     110k      2035 μs            25 μs2 d* H. c3 G  X
     120k       2216 μs            26 μs( V- {3 T/ f7 N* F3 @$ b
    市售A/D转换器有些也存在死区,如INTEL196内部的10位A/D转换器在零点附近有6个LSB的死区电压。将图4中C1刚开始充电时的波形放大,得到图5的波形。由图5可以看出,C1在开始启动A/D转换时有一瞬时负压,CPU内部的比较器在此期间不会发生比较翻转,这就是死区t0。T0随R2和C1的不同而变化,如左下附表所示。消除t0的方法是将A/D转换值减去t0作为实际值,在启动A/D转换时延时t0后再启动T1,这样A/D转换值即为实际值。
6 r' K7 s2 [7 g2 i    C1用涤纶电容,R2用优于1%的金属膜电阻,加上合理的软件设计,A/D转换的精度接近8位。最好不用电位器替代R2,长期工作精度不能保证。可以用电阻串并联的方式得到理想的A/D转换精度。8 T. U- }, j* _% @6 U' w8 r
   三、双积分式A/D转换器
' @6 p1 s  H# k. u5 a" M! w" Q   单积分式A/D转换器的缺点是精度受R2和C1的影响。在实际应用中,若需用多路A/D转换,不妨采用图3所示电路。加一只CD4051,最多可对8路A/D进行转换。在其中一路加上基准电压,设对基准电压Vref进行转换的结果为Tref,则由公式(2)可得:" K& m8 X/ _0 z2 M  o9 x0 A
  Vref=I0×Tref/C1……(3)* Y6 u# z* c3 \4 c
    (2)式和(3)式比较得:# ]. R8 c9 e" N2 y* r0 j7 y* T, Z
    Uc=Vref×T/Tref……(4)
6 F) f) d2 L8 }! Q0 R( C9 x    这样,A/D转换的结果只与基准电压Vref有关,与R2和C1无关。即是双积分A/D转换器的工作原理。
2 [6 S3 G3 H  L    第一次转换时,先对基准电压Vref进行测量,测得结果为Tref,然后对被测电压进行测量,假设测值为T,则用软件计通过公式(4)算出被测电压。只要在这两次测量期间内,R2和C1保持相对不变即可。采用此方法,A/D转换精度可优于8位,分辨率可达12位。5 d, C6 i& ?7 j
    最后,需要说明的是:1. 若CPU内部无比较器,也可在外部加一个廉价的比较器或运放来构成A/D转换器。2. 本文介绍的A/D转换器主要用在对价格要求苛刻的场合。3. 虽然电路的休止期较短,但建议两次A/D转换的间隔要大于100μs。
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