單片機內(nèi)部模擬比較器的應用

一般來說，內(nèi)部帶A／D轉(zhuǎn)換器的單片機價格都比較昂貴，而且一般只有8到10位的分辨率，這在高分辨率要求的場合顯然不適用；而普通的單片機則根本沒有 A／D轉(zhuǎn)換器。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些體積小、內(nèi)含模擬比較器的單片機，如ATMAL的AT89C2051、ZILOG的Z86E04、 MICROCHIP的PIC16C620等，這些單片機在使用時連接比較器的端口一般只作普通I／O使用，而對其內(nèi)置的模擬比較器的應用卻很少。下面以 AT89C2051為例，談?wù)劺脝纹瑱C內(nèi)置模擬比較器來構(gòu)成A／D轉(zhuǎn)換器的新方法。

1 硬件轉(zhuǎn)換電路

AT89C2051 是MCS51單片機系列中的一種，它雖然只有20個引腳，卻集成了51系列單片機的標準內(nèi)核，其中包括2k程序存儲器、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、2個16位定時計數(shù)器、一個標準全雙工UART和一個精確的模擬比較器，而這個模擬比較器是以前產(chǎn)品所沒有的。圖1是利用AT89C2051的模擬比較器來構(gòu)成雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖。其中：內(nèi)置模擬比較器的結(jié)構(gòu)如圖中虛線包圍部分所示，比較器的正、反相輸入端分別與P1．0、P1．1連接，這是兩個漏極開路無上拉電阻的輸出和輸入端口，當向P1．0、P1．1寫“1”時，M1、M2截止，相當于P1．0、P1．1對數(shù)字部分懸空，這時比較器的輸入不受單片機端口輸出的影響；由于P1．0、P1．1具有很強的灌電流能力，當寫入“0”時，P1．0、P1．1能吸入20mA的灌電流，而且M1、M2的飽和電壓很低，利用這一特點可為積分電容徹底放電。比較器輸出端在單片機內(nèi)部與P3．6連接，讀P3．6就可得到比較器的輸出結(jié)果。因此，利用 AT89C2051這個內(nèi)置的比較器，再加上少量的外圍器件就可組成雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器。圖1中，I0為恒流源，其電流約為0．5～2mA，Cf是積分電容，Cf與I0的選擇取決于A／D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，Vref為參考電壓，一般取模擬輸入電壓最大值的一半，U2是一個模擬開關(guān)，其中通道0接參考電壓，通道1至7接模擬輸入，即該A／D轉(zhuǎn)換器有7個輸入通道。

2 轉(zhuǎn)換過程

當恒流源對電容器積分時，積分電容上的電壓與時間成線性比例關(guān)系，這樣利用單片機內(nèi)部的定時計數(shù)器就可分別測量參考電壓及模擬輸入電壓的積分時間，再通過 CPU的運算來得到轉(zhuǎn)換的結(jié)果。單片機的端口P1．2至P1．4可用來輸出模擬開關(guān)通道選擇地址，定時計數(shù)器T0可設(shè)定為方式1，16 位定時狀態(tài)，用來測定積分時間。該轉(zhuǎn)換過程可分5個步驟：

第一步為積分電容的放電，主要是向P1．1寫“0”，利用其吸入灌電流大的特點為Cf放電，同時定時計數(shù)器T0清零。

第二步是參考電壓積分，即模擬開關(guān)選擇通道0，相當于Vref接至比較器的正輸入端，并向P1．1寫“1”，同時啟動定時計數(shù)器，這樣，I0開始對Cf積分；程序循環(huán)讀P3．6狀態(tài)，以檢測比較器的輸出結(jié)果，當積分電容上的積分電壓稍大于（由于比較器有極高的增益，故可近似地看作等于）參考電壓時，比較器的輸出反轉(zhuǎn)，P3．6發(fā)生由高至低的跳變。程序檢測到這個跳變后，停止定時計數(shù)器，保存此時的定時計數(shù)器結(jié)果Tref，此時可由恒流源對電容積分的關(guān)系式得出：Vref＝（I0 Tref）／Cf

第三步為積分電容放電，也就是重復第一步對Cf放電和定時計數(shù)器T0清零。

第四步為輸入電壓積分，此時模擬開關(guān)可選擇通道1～7中的一個，相當于模擬輸入電壓Vx接至比較器的正輸入端，重復第二步對輸入電壓積分，則可得到積分時間Tx，因此，Vx＝（I0Tx）／Cf

以上4步積分電容Cf上的積分電壓波形如圖2所示。

第五步是通過CPU的運算來求得A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，由第二步結(jié)果除以第四步結(jié)果，可以得到：
Vref／Vx＝Tref／Tx

變換后得：
Vx＝（VrefTx）／Tref

上式即A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

從上式可以看出：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果Vx只與Vref、Tx、Tref有關(guān)而與I0、Cf無關(guān)。這一點非常重要。因為它意味著在轉(zhuǎn)換過程中抑制了恒流源和積分電容溫漂所造成的誤差，從而保證了該A／D轉(zhuǎn)換器工作的穩(wěn)定性，這也正是積分式A／D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點。理論上，該A／D轉(zhuǎn)換器的精度只取決于參考電壓的穩(wěn)定性和單片機定時計數(shù)器的精確度，而這兩點都相對比較容易保證。當然，這是指在恒流源為理想恒流源的情況，實際上恒流源的特性決定了該A／D轉(zhuǎn)換器的非線性誤差，因此，在要求較高的場合，應選用線性好的恒流源集成電路，如LM334等，而在要求不高的情況下則可用圖3所示的由分立元件組成的恒流源電路來實現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換。這時積分電容可選擇溫度系數(shù)較小的滌綸電容等。