基于8OC196的高精度、低成本AD轉(zhuǎn)換

介紹了一種基于80C196單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)， 利用80C196自帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出及簡單外圍電路，實(shí)現(xiàn)了高精度、高速A／D轉(zhuǎn)換。該方法同時(shí)具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；A／D轉(zhuǎn)換；PWM信號；分辨率

0 引言

在智能化儀表中，A／D轉(zhuǎn)換器直接影響儀表的性能，A／D轉(zhuǎn)換器的性能主要在兩個(gè)方面，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間。目前常用的有逐次逼近型轉(zhuǎn)換器、并行轉(zhuǎn)換器、雙積分轉(zhuǎn)換器等。其中，雙積分A／D轉(zhuǎn)換器因?yàn)檗D(zhuǎn)換精度高、抗干擾性能強(qiáng)，并且價(jià)格相對較低，在數(shù)字測溫儀表以及工業(yè)現(xiàn)場的慢變信號數(shù)據(jù)采集中得到非常廣泛的應(yīng)用。但是雙積分A／D轉(zhuǎn)換器在實(shí)際應(yīng)用中仍有不足之處。由于其工作過程中零點(diǎn)漂移誤差、以及電容充放電造成的非線性，使得其如要獲得較高的精度，對電路中運(yùn)放、電阻、電壓基準(zhǔn)等元件的精確度和溫漂系數(shù)等指標(biāo)的要求就非常高，特別是它不適合快變信號的數(shù)據(jù)采集。而適合快變信號的高精度并行轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換方法是有實(shí)用價(jià)值的。本文利用Intel公司單片機(jī)80C196自帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出，外加放大器、濾波器等簡單電路配合，實(shí)現(xiàn)了高精度(最高可達(dá)18位精度)、高速A／D轉(zhuǎn)換，滿足快變信號的A／D轉(zhuǎn)換要求。經(jīng)使用表明，該A／D轉(zhuǎn)換方法的性價(jià)比高，效果非常好。

1 80C196簡介

80C196是INTEL公司推出的一種準(zhǔn)16位單片機(jī)系列，常見的型號有80C196KB、80C196KC、80C196KT等，本文選用了80Cl96KB，與其他通用的單片機(jī)相比，80C196KB主要有以下特點(diǎn)：(1)片上232字節(jié)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題，提高了執(zhí)行效率；(2)具有8通道10位A／D轉(zhuǎn)換器(逐次逼近型)，特別適合于智能儀表、控制系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域；(3)脈寬調(diào)制輸出器PWM，PWM信號經(jīng)過積分就可以獲得直流輸出，可作為D／A轉(zhuǎn)換器使用，D／A轉(zhuǎn)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(dá)2us的脈沖；(5)16為監(jiān)視定時(shí)器(WDT)，即看門狗，有軟硬件故障時(shí)，WDT將使系統(tǒng)復(fù)位，提供了一種軟硬件故障的恢復(fù)能力；(6)可動態(tài)配置的總線，在運(yùn)行過程中，80C196KB總線可以動態(tài)地配置成8位或16位，以便適應(yīng)對外部存儲器進(jìn)行字節(jié)操作或字操作的不同需求。

80C196的特點(diǎn)決定了它很適合應(yīng)用于自動化儀表與控制，自帶的A／D可以方便的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，PWM可以輸出D／A信號，WDT保證了運(yùn)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(zhuǎn)換的硬件實(shí)現(xiàn)

利用80C196KB自帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出，實(shí)現(xiàn)高精度A／D轉(zhuǎn)換的原理如下：假設(shè)傳感器提供的信號為Vs，經(jīng)放大后提供給A／D轉(zhuǎn)換器信號為As，A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為Rd，A／D轉(zhuǎn)換的舍入誤差為Ed，對于逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換有0≤Edlbit，若As對應(yīng)的真實(shí)數(shù)字量為Ad，則有：Ad=Rd+Ed，所以有：Ad-Rd=Ed，在此，Rd信號由10位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果舍掉后兩位后得到，它作為A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位，然后由PWM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(zhuǎn)換，第二次轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量作為低10位數(shù)字量，兩次A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果合成后可以達(dá)到18位精度，其電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示。該圖經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際運(yùn)行證明性能良好，具有實(shí)用性和參考價(jià)值。

圖中，運(yùn)算放大器H1和H2構(gòu)成了差分放大器，H1和H2應(yīng)選用性能較好的運(yùn)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ACH0，A／D轉(zhuǎn)換后得到高8位數(shù)字量；80C196KB的PWM輸出信號經(jīng)過U2與E2構(gòu)成的濾波器濾波后，得到直流信號Rd，這就是80C196KB通過PWM進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換的典型電路；運(yùn)算放大器H3構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)Es×28，該信號連接到80C196KB的1號A／D通道輸入口ACH1，完成Es的A／D轉(zhuǎn)換，得到低位數(shù)字量。通過軟件合并高位數(shù)字量和低位數(shù)字量即可實(shí)現(xiàn)高精度A／D轉(zhuǎn)換。

3 A／D轉(zhuǎn)換的軟件實(shí)現(xiàn)

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

當(dāng)采用12MHz晶振時(shí)，80C196KB的A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間為22us，PWM輸出周期是64us，PWM信號輸出后，為使D／A結(jié)果穩(wěn)定后再啟動ACHl，延時(shí)了3倍PWM周期，整個(gè)A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間(包括A／D轉(zhuǎn)換時(shí)間和軟件運(yùn)行時(shí)間)可以在1ms內(nèi)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)程序較簡單，流程圖略。

4 結(jié)束語

利用80C196KB單片機(jī)的內(nèi)置10位A／D轉(zhuǎn)換器和PWM信號，輔以簡單的放大電路和濾波電路實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。這種方法成本低、精度高、速度快、容易實(shí)現(xiàn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。該A／D轉(zhuǎn)換方法在我單位研制的全自動數(shù)控對刀儀上得到成功應(yīng)用。