用梯度均值法提高LPC2138的A／D分辨率

1 梯度均值A(chǔ)／D方案
定義1 設(shè)x為實數(shù)，[x]表示不大于x的最大整數(shù)，則稱f(x)=[x]為x的取整函數(shù)。
定義2 設(shè)x為實數(shù)，x>表示對小數(shù)部分四舍五入的取整運(yùn)算，則稱g(x)=x>為x的量化函數(shù)。
顯然，令V通過量化單位為q的A／D系統(tǒng)，恰好等價于對x=V／q的量化運(yùn)算(記為D=V／g>)，穩(wěn)定的D輸出才有意義。為此系統(tǒng)總的噪聲水平應(yīng)小于q／2，否則D只能穩(wěn)定讀出與此相適應(yīng)的前N位有效數(shù)字，其后各位將被舍棄。由于噪聲干擾是隨機(jī)的，為了降低有效q值，提高系統(tǒng)容量，通常采取多次測量的均值濾波法進(jìn)行處理。在此基礎(chǔ)上提出的梯度均值A(chǔ)／D方案，利用了數(shù)
論中的整數(shù)特性，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

不妨稱其中的A／D轉(zhuǎn)換部分為基本量化系統(tǒng)，階梯形輸入信號為Vis，其幅度值

以等梯度遞增，總幅度為1個量化單位q，其中m為正整數(shù)。該系統(tǒng)的輸入信號V和階梯波信號Vis依次疊加后送入基本量化系統(tǒng)，其量化輸出信號Di輸出到數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行存儲、處理。以基本量化系統(tǒng)的2m次Di的穩(wěn)定量化輸出的均值為系統(tǒng)輸出，那么，有梯度均值A(chǔ)／D方案基本定理：設(shè)基本量化系統(tǒng)的量化單位為q，傳遞函數(shù)為

則圖1所示A／D系統(tǒng)的等效量化單位為q／2m，傳遞函數(shù)為

即系統(tǒng)容量擴(kuò)大為基本量化系統(tǒng)容量的2m倍。
梯度均值法與統(tǒng)計均值法的性能比較：
①統(tǒng)計均值法每次采樣必須讀出被噪聲干擾的第O．1LSB位，然而它是不穩(wěn)定的；而梯度均值法每次采樣只需讀出1LSB位，該位是穩(wěn)定的。因此，單次采樣所用的時間，后者比前者要短。
②利用統(tǒng)計均值法，欲得到穩(wěn)定的0．1LSB位輸出，則噪聲水平要降為1／lO(根據(jù)σ(．x)∝1／n)，需采樣100次；而梯度均值法只需采樣10次，就可達(dá)到同樣的效果。
③采用統(tǒng)計均值法，響應(yīng)長，效率低。對于實時性要求高、需要快速響應(yīng)的場合，采用梯度均值法效果更好。

2 系統(tǒng)設(shè)計
使用周立功公司的EasyARM2131開發(fā)板，并設(shè)計簡單的外圍電路。EasyARM2131開發(fā)板采用NXP公司基于ARM7TDMl一S核、單電源供電、LQFP64封裝的LPC2138芯片，具有JTAG仿真調(diào)試、ISP編程等功能，提供RS232接口電路、I2C存儲器電路、鍵盤、LED、蜂鳴器等常用功能部件，極大地方便了用戶進(jìn)行32位ARM嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)實驗。LPC2138內(nèi)A／D的分辨率為10位，可以將其擴(kuò)展為12位，甚至更高。
系統(tǒng)的原理示意圖如圖2所示，外圍電路的核心是階梯波發(fā)生器和同相加法器。

2．1 階梯波發(fā)生器
LPC2138內(nèi)部的D／A轉(zhuǎn)換器是單極性的，只能生成單極性階梯波，而梯度均值法要求使用雙極性階梯波。為此采用了差動運(yùn)放電路，不僅將單極性階梯波轉(zhuǎn)換為雙極性，而且進(jìn)行降壓，使階梯波總電壓幅度為A／D轉(zhuǎn)換器的一個量化單位。具體電路如圖3右半部分所示。

根據(jù)運(yùn)算放大器“虛短”、“虛斷”原則和疊加原理，求得

其中Rf為電位器，可以調(diào)節(jié)阻值并改變軟件設(shè)置，提高A／D系統(tǒng)的精度。按照設(shè)計要求，阻值分別選擇R1=R2=10 kΩ，R3=Rf=2．5kΩ，使Rf／R1=1／4。
幅度極性變換電路要用到(1／2)Vref，所以要由基準(zhǔn)電壓源分壓得到。為了防止電壓被拉低，增加一個電壓跟隨電路，如圖3左半部分所示。其中，參數(shù)選擇R8=R9=10 kΩ，運(yùn)放使用OP07。
2．2 同相加法電路
同相加法電路如圖4所示。參數(shù)選擇R4=R5=1ckΩ，R6=R7=10 kΩ，所以V1=Vin+V0，其中Vin為輸入電壓，V0為階梯波電壓，V1輸入到ARM內(nèi)部處理。

外圍電路原理總圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件部分采用C語言編寫，使用ADSl．2開發(fā)環(huán)境，并移植了μC／OS―II操作系統(tǒng)。細(xì)節(jié)見參考文獻(xiàn)。
程序主要由以下幾部分組成：主程序，負(fù)責(zé)初始化操作系統(tǒng)和創(chuàng)建任務(wù)；任務(wù)1，負(fù)責(zé)初始化目標(biāo)板；任務(wù)2，負(fù)責(zé)目標(biāo)板與上位機(jī)的串口通信；中斷服務(wù)程序，負(fù)責(zé)采樣和計算電壓。各部分流程如圖6～圖9所示。

4 結(jié) 論
經(jīng)過測試，該A／D系統(tǒng)測得電壓比直接測量的電壓更準(zhǔn)確；A/D系統(tǒng)分辨率越高，測量的電壓越準(zhǔn)確。由于器件和工藝等原因，本系統(tǒng)有一定的誤差，但基本達(dá)到設(shè)計要求，證明采用梯度均值法的A／D系統(tǒng)是完全可以實現(xiàn)的。而且如果采用更好的工藝和精密的元器件，還能提高本A/D系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。