用單片機(jī)設(shè)計動態(tài)輸入范圍的PWMA／D轉(zhuǎn)換器

1 COP820CJ芯片介紹

COP820CJ 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款8位單片機(jī)，它內(nèi)含64字節(jié)RAM和1k字節(jié)ROM，并帶有24個I／O口，時鐘頻率為10MHz，工作電壓為 2．5～6．0V。 COP820 CJ具有多輸入喚醒（MIWU）、低壓復(fù)位保護(hù)、片上模擬比較器和低電磁輻射設(shè)計等功能，其I／O口可編程為三態(tài)、推挽輸出、弱上拉輸入等類型。

COP820CJ的端口分為L／I／D／G四類。其中I口為4位輸入端口，D口為4位輸出端口，G口有6位I／O口和2位輸入口，L口為8位I／O 口。同時L口也是芯片的喚醒端口，其中L1和L2又是比較器輸入口，L3又是比較器輸出口。L口配有數(shù)據(jù)寄存器（LDATA［0DOH］）和配置寄存器（LCONF［0D1H］），兩寄存器可共同決定該端口的狀態(tài)。具體關(guān)系見表1所列。

COP820CJ的片上RAM、端口、寄存器均可映射到00H～FEH的數(shù)據(jù)內(nèi)存空間，其中C0～CFH段主要是喚醒及用看門狗控制寄存器，D0～DFH 段有8個端口類寄存器，E0～EFH段為計時器和系統(tǒng)寄存器。00～2FH及F0～FFH為RAM地址。其中，F(xiàn)0～FEH段可用作寄存器，并包括B地址寄存器［FCH］、X地址寄存器［FEH］和SP堆棧指針［FDH］三個專用寄存器。

2 COP820CJ的工作原理

2．1基本原理

利用COP820CJ的片上模擬比較器和脈沖寬度調(diào)制方式可以構(gòu)成由軟件調(diào)控且輸入范圍可變的A／D轉(zhuǎn)換器。其工作原理圖見圖1所示。圖中，L1和L2 為比較器輸入端，當(dāng)電容電壓小于輸入電壓時， L3端輸出高電平脈沖。反之，L3輸出低脈沖，并對低脈沖減1計數(shù)。電路中的輸入電壓可通過L1、L2之間并聯(lián)的兩個背向二極管對電容C1快速充放電，以使兩者電位迅速接近。

比較器允許的輸入電壓為0．4V～VCC－1． 5V（此時電容電壓與充電、放電時間之間為近似線性關(guān)系），實際輸入電壓范圍可能要更小一些。因此，可以通過設(shè)定高低脈沖的參數(shù)使電容電壓始終保持在測量范圍之內(nèi)。若電源為5V，時鐘頻率為10MHz，脈沖周期為24個，即2．4μs，輸入電壓范圍是1．0V～3．3V。那么，可以設(shè)置高脈沖為先低8個時鐘，再高16個時鐘；設(shè)置低脈沖為先高5個時鐘，再低19個時鐘。這樣，如果L3始終輸出高脈沖，電容電壓VH將近似為VCC×16／24＝3．30V；如果L3始終輸出低電平，電容電壓VL則近似為VCC×5／24＝1．04V。進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換時，L3可根據(jù)比較結(jié)果輸出高低脈沖，當(dāng)脈沖數(shù)足夠多時，計數(shù)器的值即代表了輸入的電壓值，并可用下式表示：

其中，NTON為計數(shù)器的值，NTOTAL為總脈沖數(shù)。

2．2轉(zhuǎn)換時間及分辨率

由于脈沖周期為2．4μs，若脈沖總數(shù)為100，那么，進(jìn)行兩次計數(shù)的轉(zhuǎn)換時間近似為2．4×100×2＝480μs。當(dāng)輸入為高速變化的信號時，只需減少脈沖總數(shù)即可。如脈沖總數(shù)為100，輸入電壓為1．0～3．3V，則分辨率為23mV。為提高分辨率，可先對輸入信號進(jìn)行粗測，然后調(diào)整高低脈沖的占空比，以使對應(yīng)電壓略超出測量結(jié)果的上下限值，這樣即可獲得更高的分辨率。

3軟件設(shè)計

圖 2所示是用COP820CJ設(shè)計的A／D轉(zhuǎn)換器的工作軟件流程圖。其中，控制寄存器2（CNTRL2［CC］）的第三位是比較器允許位，第四位為比較器輸出。X指令為交換兩寄存器中的數(shù)據(jù)。

“SBIT（RBIT）i，n”指令為將n 寄存器的第i位置1（0）“IFBITi，n”指令在n寄存器的第i位為1時執(zhí)行下一條指令，否則跳過。“DRSZn”指令的作用是先將寄存器n的值減 1，如結(jié)果非零，則執(zhí)行下一條指令，否則跳過。