基於C8051F020單片機的16位A/D轉換器設計

1 引言
    本文給出了基於C8051F020單片機的16位A/D轉換器設計思路及實現方法。在設計中，充分利用了C8051F020單片機內部的高速計數器，本文給出的設計與常規的雙積分ADC相比，具有轉換速率高、可對雙極性模擬電壓進行轉換等顯著優點，且實現簡單，運行穩定可靠。

2 A/D轉換器硬體電路
    圖1為A/D轉換硬體電路。圖中，LM336為5V電壓基準源，CD4052為2路四選一電子開關。
    在正常轉換過程中，Vin輸入端的開關RY斷開，輸入待測電壓信號(-5V～+5V)，此信號經過運放OP07-1構成的電壓跟隨器后，輸入到運放OP07-2的反相輸入端，加入電壓跟隨器的目的是進行阻抗變換。運放OP07-2構成加法器，其輸出為：
 V_OI=-(V_I+V_CP) (1)
   VCP為補償電壓，將雙極性輸入電壓VI轉換成單極性電壓VO1，以實現與偏移二進位碼對應的A/D轉換，其值為輸入電壓VI的上限值。若輸入電壓VI 取值範圍為：-5V<VI<5V，則VCP=5V。輸出電壓VO1的取值範圍為-10V<VO1<0V。
 

3 A/D轉換器程序流程及工作原理
    圖2為A/D轉換過程程序流程圖：
 
    A/D轉換開始前先將計數器清零。在軟體控制下，選通CD4052的2Y管腳，構成放電迴路使積分電容C完全放電，然後開始A/D轉換，轉換操作分兩步進行：
    第一步，選通CD4052的0X管腳，積分器對VO1進行固定時間T1的積分，積分結束時積分器的輸出電壓VO2為：
  (2)
    第二步，選通CD4052的1X管腳，積分器對參考電壓VREF向相反方向積分，若積分器的輸出電壓到零時所經過的積分時間為T2，則有：
 (3)
故得到：
 (4)
    上述三式中VREF為A/D 轉換器的基準電壓，由C8051F020片內的12位D/A轉換器DAC0提供。可見，T2與進行固定時間間隔積分的電壓信號VO1成正比，令計數器在這段時間裡對固定頻率為fc (fc=1/TC)的時鐘脈衝計數，計數值即為轉換成的數字量，即
 (5)
    式中D為表示計數結果的數字量，即A/D轉換值。
    因為T1為計數器計滿2n個脈衝的時間，即T1=2nTc，將其代入(5)式得出
 (6)
    再將(1)式代入(6)式得出
(7) 
    由(7)式可知：本文給出的雙積分式A/D轉換器與常規雙積分式A/D轉換器的主要不同之處在於加入了偏移電壓VCP可對雙極性電壓信號VIN進行轉換。
    積分器輸出電壓過零時，比較器LM311輸出電平翻轉，將比較器LM311輸出端與C8051F020單片機內部比較器0輸入端CP0+相連，使比較器輸出電平的翻轉引發程序中斷進行A/D轉換后的數字量顯示。

4 實現不同解析度下的A/D轉換
    常規雙積分式A/D轉換器的主要弊端之一是轉換速率低，無法適應要求高速A/D轉換的工業現場。本文所論述的雙積分式A/D轉換器採用C8051F020單片機內部的高速計數器計數，顯著提高了A/D轉換器的轉換速率。
    雙積分式A/D轉換器的轉換速率由解析度與晶振頻率決定。在晶振頻率一定的情況下，欲提高解析度，則需降低轉換速率。因此，為了提高雙積分式A/D轉換器的轉換速率，可在對解析度要求不高的應用場合將解析度適當降低。
    根據雙積分式A/D轉換器的轉換原理可知：當進行定時間間隔積分的電壓與基準電壓幅值VREF相等時，進行一次A/D轉換所需時間最長，具體關係見下式：
 
    式中T為一次A/D轉換的最長時間，fosc為給單片機外加的晶振頻率，n為A/D轉換器的解析度。
    通過軟體編程式控制制固定積分時間T1可方便地使A/D轉換器具有8位、10位、12位、14位、16位等多種不同的解析度，以適應不同轉換速率的要求。

5 改善性能的主要措施
(1)量程擴展。在待測電壓輸入端連接放大器和衰減器，即可實現A/D轉換器量程的擴展。
(2)零漂校準。每次測量前，通過程式控制閉合開關RY，使輸入量為零，即可測得A/D轉換器的零漂，再由單片機對實際的測試進行誤差補償，以實現自動校準的功能。

6 結束語
    此A/D轉換器線性誤差小於0.5％；當給單片機外加的晶振頻率為11.0592MHz時，在16位解析度下轉換速率可達168.75次/s；通過軟體編程可實現8位、10位、12位、14位、16位等多種解析度，當解析度設定為10位時，轉換速率可達10800次/s。除此之外，還可進行量程擴展、校零、誤差補償等等。