一種基於單片機的高精度快速積分型ad轉換器的製作方法

2023-09-20 23:33:55

專利名稱：一種基於單片機的高精度快速積分型ad轉換器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種AD轉換器，尤其是一種基於單片機的高精度快速積分型AD 轉換器。
背景技術：
AD轉換器常用於對模擬信號進行數字處理的技術領域中，常見的AD轉換器類型 主要有並行比較型AD、逐次比較型AD、Σ -Δ調製型AD以及積分型AD等四種。並行比較 型AD採用多個比較器，僅作一次比較就能實現轉換，換速率極高，但電路規模極大，價格也 高；逐次比較型AD又稱為逐次逼近型AD，特點是速度較高、功耗低，但不容易做到高分辨 率；Σ - Δ型容易做到高解析度，Σ - Δ型AD主要缺點是將佔空信息轉換為數字輸出的濾 波器極其複雜；積分型AD轉換器自問世以來，在低速轉換場合得到了廣泛的應用，它的主 要優點是線性好，靈敏度高，特別是在抑制工頻幹擾方面具有明顯的優越性，但也存在明顯 的缺點即轉換速率很低；目前已有針對積分型AD轉換器轉換速率很低提出改進的論文發 表，如發表在《微計算機信息》(嵌入式與S0C) 2006年第22卷第1-2期上的名為「可編程 邏輯器件在積分式AD轉換器中的應用」論文提出了新方法，雖然提高了積分式AD轉換器的 轉換速率，但技術方案仍顯複雜。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提出一種基於單片機的高精度快速積分型AD 轉換器，該AD轉換器可工作於外界幹擾強尤其是工頻幹擾較大的工業場合。本實用新型所採用的技術方案為一種基於單片機的高精度快速積分型AD轉換 器，包括積分信號控制電路、積分器、電平比較電路及單片機四部分，所述的積分信號控制 電路由電阻R1、R2、R3和R4以及模擬電子開關K1、K2、K3和Κ4構成，被轉換電壓Vi與電阻 Rl和模擬電子開關Kl串聯後連接到運放的「_」輸入端，基準電壓-Er —路與電阻R2和模 擬電子開關Κ2串聯後連接到運放的「_」輸入端，另一路與電阻R3和模擬電子開關Κ3串聯 後連接到運放的「_」輸入端；積分器由運算放大器和電容C組成，電容C跨接在運放的「-」 輸入端與輸出端之間，運放的「 + 」端與地線相連，積分器輸出的OUT信號經過電阻R4和模 擬電子開關K4串聯後也同樣連接到運放的「_」輸入端；電平比較電路包括下限比較器、上 限比較器以及過零比較器三個高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過零比較器的三 個輸出信號分別與單片機的三個輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機輸出的UNK、SC、FC以 及RC四個信號分別與四個模擬電子開關K1、K2、K3以及Κ4的受控端相連並控制它們的通 斷。進一步具體的說，本實用新型在所述的單片機的控制下，一次AD轉換過程包括以 下四個階段第一階段為信號積分階段，單片機發出低電平RC信號控制模擬電子開關Κ4斷 開，同時發出高電平UNK信號控制模擬電子開關Kl導通，使被測信號Vi通過電阻Rl送入 積分器開始對電容器C進行充電，同時積分器輸出的OUT信號送入電平比較電路與上限電平-VH和下限電平-VL比較，在此階段，單片機不斷地檢測上、下限比較器送出的Hi、Li信 號，一旦發現積分器輸出的OUT信號低於上限值-VH就發出高電平FC信號控制模擬電子開 關K3導通，將基準信號-Er通過電阻R3接入積分器對電容器C進行快速放電；第二階段為 快速基準積分階段，單片機發出低電平UNK信號控制模擬電子開關Kl斷開，同時檢測積分 器輸出的OUT信號，如低於下限電平-VL，就送出高電平FC信號控制模擬電子開關K3導通， 將基準信號-Er通過電阻R3接入積分器對電容器C進行快速放電，一旦積分器輸出的OUT 信號高於下限電平-VL後就斷開模擬電子開關K3 ；第三階段為慢速基準積分階段，在此階 段單片機送出高電平SC信號控制模擬電子開關K2導通，將基準信號-Er通過電阻R2接入 積分器對電容器C進行慢速放電，直到積分器輸出的OUT信號大於零點；第四階段為調零階 段，單片機發出高電平RC信號控制模擬電子開關K4導通，將電阻R4接入運放的「-」端和 輸出端之間，對積分器進行自動調零，為下次轉換作準備。更進一步的說，為了提高精確度，本實用新型所述的單片機利用內部的定時器/ 計數器對FC信號的高電平時間進行累加測量並得到計數結果Ni，在慢速基準積分階段單 片機對SC信號的高電平時間進行測量並得到計數結果N2，通過公式N = Κ_1+Ν2計算實際 的AD轉換值，其中K為慢速放電支路的電阻值與快速放電支路的電阻值之比。而慢速放電 支路的電阻值包括電阻R2及模擬電子開關K2的導通電阻，快速放電支路的電阻值包括電 阻R3及模擬電子開關K3的導通電阻。本實用新型的有益效果是1、在信號採樣積分階段時刻監控積分器輸出電平，將 積分器的輸出電平限定在規定的範圍內，既保證了 AD轉換器的線性，又提高了 AD轉換器輸 入電壓的範圍；2、在慢速基準積分階段前增加了快速基準積分階段，既減少了 AD轉換的時 間，又提高了 AD轉換器的分辯率；3、採用單片機直接控制，省去了外部計數器和可編程邏 輯器件，既簡化了電路，降低了成本，又使本實用新型更容易與相關AD測控系統結合應用。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的工作原理圖；圖2是本實用新型的工作時序圖；圖中1、積分信號控制電路；2、積分器；3、電平比較電路；4、單片機。
具體實施方式
現在結合附圖和優選實施例對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的 示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。如圖1所示的一種基於單片機的高精度快速積分型AD轉換器，包括積分信號控制 電路1、積分器2、電平比較電路3及單片機4四部分，所述的積分信號控制電路1由電阻 Rl、R2、R3和R4以及模擬電子開關ΚΙ、K2、K3和K4構成，被轉換電壓Vi與電阻Rl和模擬 電子開關Kl串聯後連接到運放的「_」輸入端，基準電壓-Er —路與電阻R2和模擬電子開 關K2串聯後連接到運放的「_」輸入端，另一路與電阻R3和模擬電子開關K3串聯後連接到 運放的「_」輸入端；積分器2由運算放大器和電容C組成，電容C跨接在運放的「_」輸入端 與輸出端之間，運放的「 + 」端與地線相連，積分器2輸出的OUT信號經過電阻R4和模擬電子開關K4串聯後也同樣連接到運放的「_」輸入端；電平比較電路3包括下限比較器、上限 比較器以及過零比較器三個高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過零比較器的三個 輸出信號分別與單片機的三個輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機4輸出的UNK、SC、FC以 及RC四個信號分別與四個模擬電子開關K1、K2、K3以及Κ4的受控端相連並控制它們的通 斷。如圖2所示，在單片機4的控制下，一次AD轉換過程通過以下四個階段完成第一階段為信號積分階段，單片機發出低電平RC信號控制模擬電子開關Κ4斷開， 同時發出高電平UNK信號控制模擬電子開關Kl導通，使被測信號Vi通過電阻Rl送入積分 器2開始對電容器C進行充電，同時積分器2輸出的OUT信號送入電平比較電路3與上限 電平-VH和下限電平-VL比較。在此階段，單片機不斷地檢測上、下限比較器送出的Hi、Li 信號，一旦發現積分器輸出的OUT信號低於上限值-VH就發出高電平FC信號控制模擬電子 開關K3導通，將基準信號-Er通過電阻R3接入積分器2對電容器C進行快速放電，保證積 分器的輸出電平限定在規定的範圍內。通過這種技術手段既保證了 AD轉換器的線性，又提 高了 AD轉換器輸入電壓的範圍。如單片機調整UNK信號的高電平時間為外界幹擾(尤其是 工頻幹擾)信號周期的整數倍時間，就可大幅度消除外界幹擾信號對AD轉換結果的影響。第二階段為快速基準積分階段，單片機發出低電平UNK信號控制模擬電子開關Kl 斷開，同時檢測積分器輸出的OUT信號，如低於下限電平-VL，就送出高電平FC信號控制模 擬電子開關K3導通，將基準信號-Er通過電阻R3接入積分器2對電容器C進行快速放電， 一旦積分器輸出的OUT信號高於下限電平-VL後就斷開模擬電子開關K3。通過這種方法， 減少了 AD轉換時間。第三階段為慢速基準積分階段，在此階段單片機送出高電平SC信號控制模擬電 子開關K2導通，將基準信號-Er通過電阻R2接入積分器2對電容器C進行慢速放電，直到 積分器輸出的OUT信號大於零點。由於R2的阻值遠大於R3，使積分器輸出的OUT信號上升 過程較緩慢，便於單片機對該階段時間進行精確測量，從而提高了 AD轉換器的分辯率。第四階段為調零階段，單片機發出高電平RC信號控制模擬電子開關K4導通，將電 阻R4接入運放的「-」端和輸出端之間，對積分器進行自動調零，為下次轉換作準備。需說明的是在上述的信號積分階段和快速基準積分階段期間，單片機利用內部 的計數器對FC信號的高電平時間進行累加測量，設單片機測量的計數值為m ；在慢速基準 積分階段單片機對SC信號的高電平時間進行測量，設單片機測量的計數值為N2，則可以通 過公式N = K*N1+N2計算實際的AD轉換值，其中K為慢速放電支路的電阻值(包括R2及 模擬電子開關K2的導通電阻)與快速放電支路的電阻值(包括R3及模擬電子開關K3的 導通電阻)之比，通過適當的取值保證此比例係數大等於100。由此可見本實用新型提供 的方法擴大了計數值的範圍，提高了分辯率，實際應用中本實施例很容易就達到6位半分 辨率。特別要說明的是本實用新型使用單片機產生各種控制信號，並利用單片機內部 的定時器/計數器實現對FC和SC信號的高電平進行時間測量，保證了測量過程的精確同 步，提高了 AD測量結果的穩定性，既省去了外部計數器及可編程邏輯器件、簡化了電路、降 低了成本，又使本實用新型更容易與應用系統結合。以上說明書中描述的只是本實用新型的具體實施方式
，各種舉例說明不對本實用新型的實質內容構成限制，所屬技術領域的普通技術人員在閱讀了說明書後可以對以前所 述的具體實施方式
做修改或變形，而不背離發明的實質和範圍。
權利要求1. 一種基於單片機的高精度快速積分型AD轉換器，包括積分信號控制電路(1)、積分 器O)、電平比較電路(3)及單片機⑷四部分，其特徵在於所述的積分信號控制電路⑴ 由電阻Rl、R2、R3和R4以及模擬電子開關ΚΙ、K2、K3和K4構成，被轉換電壓Vi與電阻Rl 和模擬電子開關Kl串聯後連接到運放的「_」輸入端，基準電壓-Er —路與電阻R2和模擬 電子開關K2串聯後連接到運放的「_」輸入端，另一路與電阻R3和模擬電子開關K3串聯後 連接到運放的「_」輸入端；積分器O)由運算放大器和電容C組成，電容C跨接在運放的 「_」輸入端與輸出端之間，運放的「 + 」端與地線相連，積分器(2)輸出的OUT信號經過電阻 R4和模擬電子開關K4串聯後也同樣連接到運放的「_」輸入端；電平比較電路(3)包括下 限比較器、上限比較器以及過零比較器三個高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過零 比較器的三個輸出信號分別與單片機(4)的三個輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機(4)輸 出的UNK、SC、FC以及RC四個信號分別與四個模擬電子開關K1、K2、K3以及Κ4的受控端相 連並控制它們的通斷。
專利摘要本實用新型涉及一種基於單片機的高精度快速積分型AD轉換器，它包括積分信號控制電路、積分器、電平比較電路及單片機四部分。積分信號控制電路由電阻R1、R2、R3、R4以及模擬電子開關K1、K2、K3、K4構成；積分器由運算放大器及電容C組成；電平比較電路包括下限比較器、上限比較器以及過零比較器等三個高速比較器；單片機輸出的UNK、SC、FC以及RC信號分別與模擬電子開關K1、K2、K3以及K4的受控端相連並控制它們的通斷。本實用新型採用單片機直接控制，省去了外部計數器和可編程邏輯器件，既簡化了電路，降低了成本，又使本實用新型更容易與AD應用系統結合。
文檔編號H03M1/52GK201854268SQ201020239178
公開日2011年6月1日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者房慧龍, 楊全會, 羅錦宏, 陳琳 申請人:房慧龍