一種單片機雙極模擬信號A／D轉換的電路設計
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摘要 實(shí)現A/D轉換通常需要使用A/D轉換芯片，而單片機內置的A/D模塊只能接收單極模擬信號。文中介紹了一種使Freescale單片機A/D轉換模塊能夠接收雙極型模擬信號的電路設計，文中電路采用對稱(chēng)設計，擴大了A/D轉換的量程，提高了A/D轉換的分辨率。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201610/308155.htm關(guān)鍵詞 Freescale;A/D轉換;雙極模擬信號
通常A/D轉換都需使用A/D轉換芯片來(lái)實(shí)現，MC9S12XS128MAL是飛思卡爾公司HCS12系列16位單片機中的一種，它有8 kB的RAM、128 kB的片內閃存(Flash EEPROM)、2 kB的電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲器(EEPROM)及多種功能的接口，MC9S12XS128內置的A/D模塊是16通道、12位精度、多路輸入復用、逐次逼近型的模數轉換器，故可省去使用A/D轉換芯片而設計的硬件電路，可降低成本，提高了系統的穩定性及可靠性。但單片機的模擬輸入端只能接受單極正向模擬信號，不能直接進(jìn)行雙極模擬信號的模數轉換，為此必須把雙極模擬信號轉換成單極正向模擬信號。在一般的設計中，常常要把形如-ui-+ui的雙極型模擬信號通過(guò)電位平移電路轉換成0～5 V單極信號，而這種平移電路會(huì )使得A/D轉換的精度降低一倍，而且穩定性也降低。而文中采用對稱(chēng)電路設計，使得單片機可接收的A/D信號由0～5 V擴大到-5～+5 V，A/D轉換的量程擴大了1倍，穩定性也大幅提高。
1 電路設計
1.1 設計原理
當輸入的信號經(jīng)放大電路放大后，若信號為正，則二極管1截止，信號無(wú)損失地從AD0口輸入，同時(shí)正的信號經(jīng)反相器反相后變成負的信號，二極管2導通，所以AD1口接收到的信號為二極管2的正向導通壓降的負值，只要這個(gè)負值電壓的幅度小于A(yíng)/D口輸入的允許值，則由此口采集的A/D值就為0，因此在這種情況下的A/D值就是AD0口的值;
反之，當輸入的信號為負值時(shí)，二極管1導通，AD0口接收的數據為0，而經(jīng)反相器反相后的信號為正，二極管2截止，AD1口接收數據。
若AD=AD0-AD1，當信號為正時(shí)，AD=AD0-0，為正;當信號為負時(shí)，AD=0-AD1，為負。此時(shí)，AD可接收的數據由原來(lái)的0～5 V擴展為-5～+5 V。
1.2 二極管的選擇
若從線(xiàn)性度考慮，應該選擇正向壓降高的二極管，例如1 N4007。但1N4007的正向壓降約為0.7 V，當二極管導通時(shí)，對應的A/D口所接收到的信號為-0.7 V，這會(huì )燒毀單片機，所以從安全性考慮應該選擇壓降較低的二極管進(jìn)行實(shí)驗。PMEG2010的壓降約為0.1 V，1N60的壓降約為0.2～0.3 V，均能保護好單片機不被燒壞。在安全性的前提下，分別測量數據分析二極管的線(xiàn)性度。
2 實(shí)驗與結論
2.1 PMEG2010
文中以某種信號為輸入信號，測量輸出信號和輸入信號是否成線(xiàn)性關(guān)系。
表1是二極管為PMEG2010是測得的數據，將數據擬合后可得到二極管為PMEG2010時(shí)所得曲線(xiàn)，如圖2所示。
由圖2所示，在零點(diǎn)附近輸入與輸出之間呈明顯的非線(xiàn)性關(guān)系。原因是PMEG2010的反相漏電流過(guò)大，且漏電流大小與輸入信號的大小之間也呈非線(xiàn)性關(guān)系，所以測得的數據與輸入值之間呈非線(xiàn)性。
2.2 1N60
當把PMEG2010換成1N60后，再次測得一組數據，并分析其線(xiàn)性相關(guān)性。
將上述所測得數據擬合后得到圖3所示。
圖3是擬合后的曲線(xiàn)，由圖可看出輸入值和輸出值之間呈較好的線(xiàn)性關(guān)系，擬合曲線(xiàn)的方程為y=0.049 421 335 942 257 8+2.261 803 178 235 24×x，相關(guān)系數為R=0.999 72，可滿(mǎn)足一般的測量需要。
3 結束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)實(shí)驗數據驗證以及參考相關(guān)資料文獻，可得出以下結論：(1)本電路設計能有效地解決單片機接收單極信號和雙極信號的關(guān)系，使得單片機可接收并處理雙極信號。(2)通過(guò)對稱(chēng)電路的設計，使得A/D可接收的信號由原來(lái)的0～5 V變?yōu)?5～+5 V，有效地擴大了A/D的量程。(3)當二極管選用得合適，能夠保證數據的線(xiàn)性關(guān)系。(4)設計使用單片機內置的A/D模塊，節省了A/D芯片的使用，使得設計成本降低。
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