资料介绍
作者:Mark Pallones, Mike Gomez
在电路中实现模数转换是设计人员面临的最常见的任务之一。它可以通过各种方式来完成。但是对于诸如DC电压表等众多简单的低带宽应用而言,目标是在保持较低的实现成本的同时,仍然能实现高分辨率的模数转换。
图1所示为这种电路的简化原理图。有两个输入电压连接到运算放大器U1,一次连接一个。Vref是校准中使用的固定参考电压,而Vmeas是要转换的未知电压。电阻R1和电容C1构成一个充电电路,可用于将输入电压转换成时间。电路中U1的存在可以消除当输入电压直接施加于R1和C1时所产生的对数特性。
该电路使用了Microchip的PIC16F5X单片机,通过打开和关闭四个开关(S1至S4)来控制U1的运行。此外,单片机会测量时间并计算出未知输入电压的数字表示方式。
该电路也可被用作电流模式A-D转换器。在这种情况下,不需要输入电压到电流转换器,且参考电流和输入电流都通过模拟开关直接传输至电容。
该转换器仅仅只需要5个外部元件,其软件和硬件经过配置可实现6至10位的转换分辨率以及250 μs或更长的转换时间。这个方法可用于电压和电流的转换,其采用的软件校准技术可以补偿时间和温度漂移,以及元件的误差。
图2所示的U1输出电压Vo波形图直观地展示了不同的转换阶段。
图2:运算放大器输出电压波形
在t0-t1阶段,开关S1和S3打开,S2和S4关闭,RA0经软件设置而接地。这便得到了图3中的等效电路。
图3:放电过程中的等效电路
由于Vin等于Vref且S3促成了单位增益反馈,因此Vo等于Vref。C1在放电或在复位之后首次放电。在任何情况下,这一阶段确保了C1被充分放电之后再进入到下一阶段。在t1结束时,S1保持在打开状态,S2保持关闭,S3被关闭,S4被打开,而RA0被配置成输入引脚。这样就得到了图4中的等效电路。
图4:测量时的等效电路
作为Vref的函数,Vo在C1充电期间开始呈线性上升趋势。而Vo的增加将一直持续直到达到单片机的阈值电压输入Vth。这会产生一个等同于参考电压充电时间tref的软件校准值。
这个校准值得到测量并用于校准大部分的电路误差,包括电阻和电容的误差、Vth的变化以及温度的变化。
在软件校准值于t2阶段得到测量之后,打开S2和S3,关闭S1和S4,RA0再次经软件设置而接地。这就得到了图3中相同的等效电路。然而,由于Vin等于Vmeas且S3促成了单位增益反馈,Vo与Vmeas相等。从t2到t3阶段,C1都在放电。在t3阶段结束时,S2保持打开状态,S1保持关闭,S3被关闭,S4被打开,而RA0被配置成输入引脚。这便得到了图4中相同的等效电路。
作为Vmeas的函数,Vo在C1充电期间开始呈线性上升趋势。而Vo的增加将一直持续直到达到单片机的Vth。这会产生一个等同于tmeas的软件Vmeas值。这个值将与软件校准值进行比较,以确定Vmeas的实际数字表示方式。
相关的公式
基于电路运行情况,下列公式将被单片机应用于计算转换结果。在图4中,通过R1的电流等于通过C1的电流。当输入电压Vin等于Vref时,两个电流之间的关系可由图5中的公式1来表示。而当Vin等于Vmeas时,两个电流之间的关系可由图5中的公式2来表示。
图5:模数转换公式
用积分形式表示公式1和2可以得到公式3和4所示的结果。由于Vref和Vmeas有恒定的输入值,公式3和4可以进一步简化为公式5和6。因为在每个测量结束时,公式5和6的Vo都等于Vth。所以将这两个公式进一步合并可以得到公式7。在公式7中,我们可以约去R1和C1从而得出Vmeas这一未知输入电压的计算公式。
从公式8可以明显看出,测量结果与电路元件R1及C1的值是没有关系的。因此,转换将不会受到因不精确或温度变化而导致的R1及C1值误差的影响。然而这并不是说,R1和C1的值在A-D转换器的设计中无足轻重。我们应该基于分辨率位数来选择R1与C1的值。变换公式6我们就得到了图6中计算R1C1的公式9。
图6:R1C1值的计算
R1C1的实际值应略小于计算出的结果,以确保在测量过程中PIC16F5X单片机计数不会超出范围。要注意的是,使用汇编语言和使用C语言时的R1C1值是不同的,这是因为使用C语言时每个计数的指令周期比使用汇编语言时要更大。
电路性能
在实际应用中,如果测量精度允许的话,使用较低的分辨率位数和更高的时钟源是很有利的。这样的话,数学代码将大幅减少,同时测量时间也会因代码更简单、计数更短而减少。
校准值可消除所有的一阶误差(失调、增益、R和C误差、电源电压和温度),除参考电压漂移以外。参考电压的任何变化,包括噪声在内,都可能会导致测量误差。其它误差源还可能包含模拟开关漏电、电阻和电容的非线性现象、输入阈值的不确定性以及时间测量的不确定性(加上或减去一个指令周期时间)。测量出的性能显示,转换器的精度在满刻度的1%范围内。
结论
对于简单的低带宽模拟应用而言,通常需要一个成本低、而分辨率高的A-D转换器。本文说明了如何通过使用PIC16F5X基础系列单片机来满足这样的要求。A-D转换器并不只有使用元件较少的优势,同时它还具有校准大部分电路误差的功能。
(mbbeetchina)
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