基于PWM技術(shù)的A/D轉換電路的設計

　　1. 引言

　　對測控現場(chǎng)的被測模擬信號的處理一般常用A/D或V/F轉換技術(shù)，兩種方法各有特點(diǎn)：A/D轉換技術(shù)一般用于被測信號速率較高，但干擾不是太嚴重的場(chǎng)合，而V/F轉換技術(shù)由于具有較強的抗干擾性且便于實(shí)現信號的遠傳和隔離，因此往往用于現場(chǎng)的干擾較為嚴重、且信號傳輸距離較遠的場(chǎng)合。但由于V/F變換的采樣速率較低，在對分辨率、采樣速率和抗干擾性要求都較高時(shí)，則采用V/F轉換技術(shù)往往也難以滿(mǎn)足采樣要求。盡管A/D轉換的采樣速率較高，但由于其抗干擾性較差，從而使系統的可靠性、穩定性和測試精度都會(huì )受到影響，有時(shí)甚至無(wú)法正常工作。

　　本文提出一種采用PWM技術(shù)的新型的高性能模數轉換器的設計方法，利用MCU內部的定時(shí)器，結合改進(jìn)的逐次逼近的對分試探算法，只須采用普通元器件即可設計出具有高分辨率的A/D轉換器，以實(shí)現對模擬電壓的測量，通過(guò)實(shí)驗證明該設計能夠達到較高的精度和分辨率，電路簡(jiǎn)單、可靠、成本低、傳輸信號線(xiàn)少，便于遠傳或隔離，抗干擾能力強，具有較好的應用價(jià)值。

　　2. 基于PWM技術(shù)的A/D轉換工作原理及接口電路設計

　　一般模數轉換包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過(guò)程。采樣就是將一個(gè)連續變化的信號x (t) 轉換成時(shí)間上離散的采樣信號x (n) 。通常采樣脈沖的寬度tw 是很短的,故采樣輸出是斷續的窄脈沖。要把一個(gè)采樣輸出信號數字化,需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號保持一段時(shí)間,這就是保持過(guò)程。量化是將連續幅度的抽樣信號轉換成離散時(shí)間、離散幅度的數字信號,量化的主要問(wèn)題就是量化誤差。編碼是將量化后的信號編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過(guò)程有些是合并進(jìn)行的。例如,采樣和保持就利用一個(gè)電路連接完成,量化和編碼也是在轉換過(guò)程同時(shí)實(shí)現的,且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分[1]。

　　PWM即脈沖寬度調制，PWM信號是一種周期（T）固定、占空比變化的數字信號。當對其進(jìn)行積分或低通濾波后，便可獲得與其脈沖寬度呈正比的模擬電壓，于是將該電壓作為試探值與被測模擬量進(jìn)行比較便可獲得與被測模擬量相對應的PWM值或數字量。本設計是利用定時(shí)器產(chǎn)生PWM脈沖輸出信號，利用比較器作為試探結果狀態(tài)標志，采用改進(jìn)的逐次逼近試探算法來(lái)實(shí)現對被測模擬量的A/D變換。由于一般單片機內部都有定時(shí)器，因此可直接利用片內定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生PWM信號即可[2]，本設計采用的是MSP430單片機，由于其內部的定時(shí)器A具有比較/捕獲功能，且內部具有多個(gè)捕獲/比較器：CCR0--CCRn，因此利用這種功能可更方便的產(chǎn)生PWM信號，從而實(shí)現A/D轉換。PWM波形的產(chǎn)生是利用定時(shí)器A輸出模式中的“復位/置位”模式。例如可利用其中的捕獲/比較器CCR0來(lái)控制PWM的周期，而用CCR1通道控制PWM的占空比，從而可方便的獲得PWM信號，如圖1所示“復位/置位”模式輸出示意圖。

　　由圖1可知，只要改變CCR1和CCR0的值就可以改變輸出波形的脈沖寬度和脈沖周期，例如，以CCR0信號作為脈沖周期控制，當CCR1的值改變時(shí)即可改變PWM信號的脈沖寬度或占空比，輸出信號就是PWM信號。如圖2所示[3]。

　　若PWM信號的占空比隨時(shí)間變化，那么經(jīng)過(guò)低通濾波后的輸出信號將是幅度變化的模擬信號，因此通過(guò)控制PWM信號的占空比，就可以產(chǎn)生不同的模擬信號。本設計中，采用MSP430單片機的定時(shí)器A的CCR0來(lái)控制周期，采用CCR1來(lái)控制占空比，從而產(chǎn)生所需要的PWM信號。

　　采用PWM技術(shù)的A/D轉換電路設計如圖3、4所示。A/D轉換通過(guò)MSP430單片機的內部定時(shí)器A產(chǎn)生的PWM信號，通過(guò)P23口輸出，經(jīng)過(guò)兩級RC低通濾波后得到與其對應的模擬信號，然后通過(guò)運算放大器構成的電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換后，作為試探值送電壓比較器LM393的一端，在比較器的另一端接入被測模擬量，兩信號在比較器中進(jìn)行比較，通過(guò)檢測比較器的輸出電平狀態(tài)即可反映出試探值的大小，由比較器的輸出狀態(tài)調整PWM信號的占空比，產(chǎn)生下一次PWM信號的輸出，于是通過(guò)不斷的試探并修正PWM信號的占空比即可使試探值接近或等于被測量，則此時(shí)的脈沖值即為被測量的A/D轉換值，可以達到16位的轉換精度。另外，由原理圖4可知，由于整個(gè)電路比較簡(jiǎn)單且該轉換器與系統的連接只有兩條信號線(xiàn)：即PWM信號輸入線(xiàn)和用于將試探值與被測模擬量進(jìn)行比較的比較器信號輸出線(xiàn)，因此在進(jìn)行抗干擾隔離時(shí)將很容易實(shí)現，而在采用普通A/D轉換器的電路中進(jìn)行抗干擾隔離時(shí)則要麻煩的多。

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　　3. 微控制器MCU的選型

　　為方便使用和操作，本設計不但設計簡(jiǎn)單，而且功耗要低，因此經(jīng)多方面綜合、對比決定采用TI公司的具有SOC特點(diǎn)的MSP430系列MCU，這是一種超低功耗的16位混合信號控制器，其內部集成了大量的外圍模塊和溫度傳感器，特別適用于電池供電的手持式設備或需要對環(huán)境溫度進(jìn)行補償的測試儀器。

　　MSP430單片機采用最新的低功耗技術(shù)，工作在1.8～3.6V 電壓下，有正常工作模式( A M ) 和4 種低功耗工作模式；在最小功耗模式下其工作電流僅為0.1μA，而且可以方便地在各種工作模式之間切換。它的超低功耗性在實(shí)際應用中， 尤其是在電池供電的便攜式設備中表現尤為突出。在系統初始化后便進(jìn)入待機模式，當有允許的中斷請求時(shí)，CPU 將在6μs的時(shí)間內被喚醒， 進(jìn)入活動(dòng)模式，執行中斷服務(wù)程序。執行完畢，在RETI 指令之后，系統返回到中斷前的狀態(tài)，繼續低功耗模式。

　　本設計所采用的是MSP430F1232微控制器，具有非常高的集成度，除內部帶有具有PWM功能的定時(shí)器外，片內還集成了10通道的1 0位A / D轉換、溫度傳感器、USART、看門(mén)狗定時(shí)器、片內數控振蕩器DCO、大量的具有中斷功能的I/O 端口、大容量的片內Flash 和RAM 以及信息Flash 存儲器[4]。其中的16位定時(shí)器A中帶有3個(gè)捕獲/比較通道，內部的Flash 存儲器可以實(shí)現掉電保護和軟件升級。由此采用MSP430單片機作為該設計的處理器，不但可簡(jiǎn)化系統電路設計、縮短開(kāi)發(fā)周期，降低系統功耗，還可利用其內部集成的溫度傳感器，方便的對被測模擬量進(jìn)行溫度補償，從而使系統的測試精度得以提高。

　　4. A/D 轉換分辨率分析及主程序設計

　　由于采用PWM技術(shù)的A/D轉換器的分辨率取決于控制PWM脈沖占空比的定時(shí)器的計數值位數或字長(cháng)，因此可通過(guò)改變定時(shí)器計數位數來(lái)改變A/D轉換的分辨率，而MSP430單片機的內部定時(shí)器A中的計數器字長(cháng)為16位，因此其PWM信號占空比的調整范圍為0～216-1，于是當系統定時(shí)器的計數器字長(cháng)為16位時(shí)，采用PWM技術(shù)的A/D轉換器的最大分辨率可達16位。由于單片機內部的16位定時(shí)器采用晶振作為內部計數器的工作時(shí)鐘，因此其定時(shí)精度一般都較高，且其計數值與PWM脈沖占空比成嚴格的線(xiàn)性關(guān)系，輸入脈沖精確，因此A/D轉換的線(xiàn)性度和精度較好，線(xiàn)性度誤差小于1%。轉換速率與分辨率和選取的PWM信號的周期有關(guān)，分辨率越高，轉換時(shí)間越長(cháng)，但同采用V/F方式相比較，轉換速度要快的多。

　　為了能夠縮短試探時(shí)間提高在高分辨率下的采樣速度，采用改進(jìn)的逐次逼近的對分試探法使得試探值能夠迅速逼近被測模擬量。常規的對分試探法是每次試探開(kāi)始時(shí)，首先將最大計數值的一半（即字長(cháng)對分值）作為試探初值并將其轉換成PWM信號輸出，相當于輸出1:1占空比的PWM脈沖信號，然后測試比較器的狀態(tài)，以確定當前試探值的大小，若試探值小于被測模擬量，則保留當前試探值，否則去掉，然后再將剩余值的一半（即：剩余對分值）作為新的增量與上次保留值相加后產(chǎn)生新的試探值并將其轉換成PWM脈沖信號輸出，再測試比較器的狀態(tài)，若大于被測模擬量，則去掉當前增量，否則保留，隨后每次的輸出都將剩余對分值作為增量進(jìn)行試探，一直持續的試探下去，直到試探完與分辨率相當的次數，例如：實(shí)現具有16位分辨率的A/D轉換就要試探16次