基于單片機的雙積分型A／D電路設計

0 引言

A／D轉換電路是數據采集系統中的重要部分，也是計算機應用系統中一種重要的功能接口。目前市場(chǎng)上有兩種常用的A／D轉換芯片，一類(lèi)是逐次逼近式的，如AD1674，其特點(diǎn)是轉換速度較高，功率較低。另一類(lèi)是雙積分式的，如ICL7135，其特點(diǎn)是轉換精度高、抗干擾能力強。但高位數的A／D轉換器價(jià)格相對較高。本文介紹的一種基于單片機的高精度、雙積分型A／D轉換電路，具有電路體積小、成本低、性?xún)r(jià)比高、結構簡(jiǎn)單、調試容易和工作可靠等特點(diǎn)，有很好的實(shí)際應用價(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，運放A 1、R、C用來(lái)組成積分器，運放A2作為比較器。電路先對未知的模擬輸入電壓U1進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分，然后轉為對標準電壓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T(mén)0。如圖2所示，輸入電壓U1越大，則反向積分時(shí)間越長(cháng)。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，因而反向積分時(shí)間T0與輸入模擬電壓U1成正比，此期問(wèn)單片機的內部計數器計數值與信號電壓的大小成正比，此計數值就是U1所對應的數字量。

2 實(shí)用雙積分A／D轉換電路

1)硬件電路圖

如圖3所示，運放A1、R、C構成積分電路，C常取0．22μF的聚丙烯電容，R常取500kΩ左右，A2是電壓跟隨器，為電路提供穩定的比較電壓，運放 A3作為電壓比較器，保證A／D轉換電平迅速翻轉，CD4051是多路選擇開(kāi)關(guān)，單片機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為基準電壓，為使A／D 轉換結果具有更高的精度，基準電路應該提供精確的電壓，建議使用精度為1％的精密電阻，單片機使用89C51，其內部定時(shí)器T0為積分電路提供精確的時(shí)間定時(shí)，計數器T1用來(lái)記錄反向積分時(shí)間，INT0用來(lái)檢測比較器電平變化。所需測量的模擬輸入信號和零點(diǎn)參考電壓以及基準電壓接到多路選擇開(kāi)關(guān)的輸入端，通過(guò)單片機中的程序控制，輪流選擇接入各路輸入信號，通過(guò)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作為比較器的輸入信號與比較電壓進(jìn)行比較，當比較器輸出翻轉信號時(shí)，CPU計數器停止計數，從而獲得零點(diǎn)參考電壓的計數值，對這個(gè)數據進(jìn)行處理計算后，完成A／D轉換。

2)轉換過(guò)程

為了給積分電路提供積分零點(diǎn)，在系統上電階段，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(guò)程分為三個(gè)階段：

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