基于80C196的高精度、低成本A/D轉換器實(shí)現

0 引言

在智能化儀表中，A／D轉換器直接影響儀表的性能，A／D轉換器的性能主要在兩個(gè)方面，轉換精度和轉換時(shí)間。目前常用的有逐次逼近型轉換器、并行轉換器、雙積分轉換器等。其中，雙積分A／D轉換器因為轉換精度高、抗干擾性能強，并且價(jià)格相對較低，在數字測溫儀表以及工業(yè)現場(chǎng)的慢變信號數據采集中得到非常廣泛的應用。但是雙積分A／D轉換器在實(shí)際應用中仍有不足之處。由于其工作過(guò)程中零點(diǎn)漂移誤差、以及電容充放電造成的非線(xiàn)性，使得其如要獲得較高的精度，對電路中運放、電阻、電壓基準等元件的精確度和溫漂系數等指標的要求就非常高，特別是它不適合快變信號的數據采集。而適合快變信號的高精度并行轉換器的價(jià)格太高，如12位精度的AD7874價(jià)格就十分昂貴。因此尋找一種高精度、高速且低成本的A／D轉換方法是有實(shí)用價(jià)值的。本文利用Intel公司單片機80C196自帶的10位A／D轉換器和PWM輸出，外加放大器、濾波器等簡(jiǎn)單電路配合，實(shí)現了高精度(最高可達18位精度)、高速A／D轉換，滿(mǎn)足快變信號的A／D轉換要求。經(jīng)使用表明，該A／D轉換方法的性?xún)r(jià)比高，效果非常好。

1 80C196簡(jiǎn)介

80C196是INTEL公司推出的一種準16位單片機系列，常見(jiàn)的型號有80C196KB、80C196KC、80C196KT等，本文選用了80Cl96KB，與其他通用的單片機相比，80C196KB主要有以下特點(diǎn)：(1)片上232字節的寄存器兼有RAM和累加器的功能，克服了面向累加器引起的瓶頸問(wèn)題，提高了執行效率；(2)具有8通道10位A／D轉換器(逐次逼近型)，特別適合于智能儀表、控制系統等應用領(lǐng)域；(3)脈寬調制輸出器PWM，PWM信號經(jīng)過(guò)積分就可以獲得直流輸出，可作為D／A轉換器使用，D／A轉換器的分辨率為8位；(4)高速輸入／輸出器(HSI／HSC)),HSI／HSO特別適合于測量和產(chǎn)生分辨力高達2us的脈沖；(5)16為監視定時(shí)器(WDT)，即看門(mén)狗，有軟硬件故障時(shí)，WDT將使系統復位，提供了一種軟硬件故障的恢復能力；(6)可動(dòng)態(tài)配置的總線(xiàn)，在運行過(guò)程中，80C196KB總線(xiàn)可以動(dòng)態(tài)地配置成8位或16位，以便適應對外部存儲器進(jìn)行字節操作或字操作的不同需求。

80C196的特點(diǎn)決定了它很適合應用于自動(dòng)化儀表與控制，自帶的A／D可以方便的進(jìn)行數據采集，PWM可以輸出D／A信號，WDT保證了運行的可靠性，HIS／HSO方便脈沖信號的測量與產(chǎn)生。80C196KB共有68管腳，采用PLCC型封裝，其管腳圖如圖1所示。

2 A／D轉換的硬件實(shí)現

利用80C196KB自帶的10位A／D轉換器和PWM輸出，實(shí)現高精度A／D轉換的原理如下：假設傳感器提供的信號為Vs，經(jīng)放大后提供給A／D轉換器信號為As，A／D轉換的結果為Rd，A／D轉換的舍入誤差為Ed，對于逐次逼近式A／D轉換有0≤EdPWM信號輸出，經(jīng)濾波后得到RD的模擬量RA，取AS與RA的差分信號ES=AS-RA，放大28倍后再次A／D轉換，第二次轉換后的數字量作為低10位數字量，兩次A／D轉換的結果合成后可以達到18位精度，其電路實(shí)現如圖2所示。該圖經(jīng)實(shí)驗驗證和實(shí)際運行證明性能良好，具有實(shí)用性和參考價(jià)值。< p="">

圖中，運算放大器H1和H2構成了差分放大器，H1和H2應選用性能較好的運算放大器，該電路具有極高的共模抑制比，傳感器信號Vs經(jīng)過(guò)差分放大器放大后得到As，As連接到80C196KB的0號A／D通道輸入口A(yíng)CH0，A／D轉換后得到高8位數字量；80C196KB的PWM輸出信號經(jīng)過(guò)U2與E2構成的濾波器濾波后，得到直流信號Rd，這就是80C196KB通過(guò)PWM進(jìn)行D／A轉換的典型電路；運算放大器H3構成的電路實(shí)現Es×28，該信號連接到80C196KB的1號A／D通道輸入口A(yíng)CH1，完成Es的A／D轉換，得到低位數字量。通過(guò)軟件合并高位數字量和低位數字量即可實(shí)現高精度A／D轉換。

3 A／D轉換的軟件實(shí)現

為保證實(shí)時(shí)性，A／D轉換的軟件通過(guò)中斷方式實(shí)現，首先主程序在初始化中設定定時(shí)器和A／D中斷工作模式，定時(shí)器中斷到來(lái)時(shí)啟動(dòng)0通道A／D轉換。A／D中斷時(shí)，判斷A／D的通道號，當0通道ACH0中斷時(shí)，讀取并保存A／D結果的高8位，通過(guò)PWM輸出該結果，然后啟動(dòng)下一次l通道ACHl的A／D轉換；當ACHl中斷時(shí)，讀取A／D轉換結果并與高8位合并，得到最終結果。

當采用12MHz晶振時(shí)，80C196KB的A／D轉換時(shí)間為22us，PWM輸出周期是64us，PWM信號輸出后，為使D／A結果穩定后再啟動(dòng)ACHl，延時(shí)了3倍PWM周期，整個(gè)A／D轉換時(shí)間(包括A／D轉換時(shí)間和軟件運行時(shí)間)可以在1ms內完成。A／D中斷服務(wù)程序的流程框圖如圖3所示。初始化程序和定時(shí)器中斷服務(wù)程序較簡(jiǎn)單，流程圖略。

4 結束語(yǔ)

利用80C196KB單片機的內置10位A／D轉換器和PWM信號，輔以簡(jiǎn)單的放大電路和濾波電路實(shí)現模數轉換。這種方法成本低、精度高、速度快、容易實(shí)現，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該A／D轉換方法在我單位研制的全自動(dòng)數控對刀儀上得到成功應用。