基于PWM技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方法

1. 引言

　　本文提出一種采用PWM技術(shù)的新型的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法，利用MCU內(nèi)部的定時(shí)器，結(jié)合改進(jìn)的逐次逼近的對(duì)分試探算法，只須采用普通元器件即可設(shè)計(jì)出具有高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電壓的測(cè)量，通過實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)能夠達(dá)到較高的精度和分辨率，電路簡(jiǎn)單、可靠、成本低、傳輸信號(hào)線少，便于遠(yuǎn)傳或隔離，抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

　　2. 基于PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換工作原理及接口電路設(shè)計(jì)

　　一般模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程。采樣就是將一個(gè)連續(xù)變化的信號(hào)x (t) 轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的采樣信號(hào)x (n) 。通常采樣脈沖的寬度tw 是很短的,故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖。要把一個(gè)采樣輸出信號(hào)數(shù)字化,需要將采樣輸出所得的瞬時(shí)模擬信號(hào)保持一段時(shí)間,這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間、離散幅度的數(shù)字信號(hào),量化的主要問題就是量化誤差。編碼是將量化后的信號(hào)編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過程有些是合并進(jìn)行的。例如,采樣和保持就利用一個(gè)電路連接完成,量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)的,且所用時(shí)間又是保持時(shí)間的一部分[1]。

　　PWM即脈沖寬度調(diào)制，PWM信號(hào)是一種周期(T)固定、占空比變化的數(shù)字信號(hào)。當(dāng)對(duì)其進(jìn)行積分或低通濾波后，便可獲得與其脈沖寬度呈正比的模擬電壓，于是將該電壓作為試探值與被測(cè)模擬量進(jìn)行比較便可獲得與被測(cè)模擬量相對(duì)應(yīng)的PWM值或數(shù)字量。本設(shè)計(jì)是利用定時(shí)器產(chǎn)生PWM脈沖輸出信號(hào)，利用比較器作為試探結(jié)果狀態(tài)標(biāo)志，采用改進(jìn)的逐次逼近試探算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)模擬量的A/D變換。由于一般單片機(jī)內(nèi)部都有定時(shí)器，因此可直接利用片內(nèi)定時(shí)器來產(chǎn)生PWM信號(hào)即可[2]，本設(shè)計(jì)采用的是MSP430單片機(jī)，由于其內(nèi)部的定時(shí)器A具有比較/捕獲功能，且內(nèi)部具有多個(gè)捕獲/比較器：CCR0--CCRn，因此利用這種功能可更方便的產(chǎn)生PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。PWM波形的產(chǎn)生是利用定時(shí)器A輸出模式中的“復(fù)位/置位”模式。例如可利用其中的捕獲/比較器CCR0來控制PWM的周期，而用CCR1通道控制PWM的占空比，從而可方便的獲得PWM信號(hào)，如圖1所示“復(fù)位/置位”模式輸出示意圖。

　　由圖1可知，只要改變CCR1和CCR0的值就可以改變輸出波形的脈沖寬度和脈沖周期，例如，以CCR0信號(hào)作為脈沖周期控制，當(dāng)CCR1的值改變時(shí)即可改變PWM信號(hào)的脈沖寬度或占空比，輸出信號(hào)就是PWM信號(hào)。如圖2所示[3]。

　　若PWM信號(hào)的占空比隨時(shí)間變化，那么經(jīng)過低通濾波后的輸出信號(hào)將是幅度變化的模擬信號(hào)，因此通過控制PWM信號(hào)的占空比，就可以產(chǎn)生不同的模擬信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，采用MSP430單片機(jī)的定時(shí)器A的CCR0來控制周期，采用CCR1來控制占空比，從而產(chǎn)生所需要的PWM信號(hào)。

　　采用PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖3、4所示。A/D轉(zhuǎn)換通過MSP430單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器A產(chǎn)生的PWM信號(hào)，通過P23口輸出，經(jīng)過兩級(jí)RC低通濾波后得到與其對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，然后通過運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換后，作為試探值送電壓比較器LM393的一端，在比較器的另一端接入被測(cè)模擬量，兩信號(hào)在比較器中進(jìn)行比較，通過檢測(cè)比較器的輸出電平狀態(tài)即可反映出試探值的大小，由比較器的輸出狀態(tài)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，產(chǎn)生下一次PWM信號(hào)的輸出，于是通過不斷的試探并修正PWM信號(hào)的占空比即可使試探值接近或等于被測(cè)量，則此時(shí)的脈沖值即為被測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換值，可以達(dá)到16位的轉(zhuǎn)換精度。另外，由原理圖4可知，由于整個(gè)電路比較簡(jiǎn)單且該轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的連接只有兩條信號(hào)線：即PWM信號(hào)輸入線和用于將試探值與被測(cè)模擬量進(jìn)行比較的比較器信號(hào)輸出線，因此在進(jìn)行抗干擾隔離時(shí)將很容易實(shí)現(xiàn)，而在采用普通A/D轉(zhuǎn)換器的電路中進(jìn)行抗干擾隔離時(shí)則要麻煩的多。

3. 微控制器MCU的選型

　　為方便使用和操作，本設(shè)計(jì)不但設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且功耗要低，因此經(jīng)多方面綜合、對(duì)比決定采用TI公司的具有SOC特點(diǎn)的MSP430系列MCU，這是一種超低功耗的16位混合信號(hào)控制器，其內(nèi)部集成了大量的外圍模塊和溫度傳感器，特別適用于電池供電的手持式設(shè)備或需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏y(cè)試儀器。

　　MSP430單片機(jī)采用最新的低功耗技術(shù)，工作在1.8～3.6V 電壓下，有正常工作模式( A M ) 和4 種低功耗工作模式;在最小功耗模式下其工作電流僅為0.1μA，而且可以方便地在各種工作模式之間切換。它的超低功耗性在實(shí)際應(yīng)用中， 尤其是在電池供電的便攜式設(shè)備中表現(xiàn)尤為突出。在系統(tǒng)初始化后便進(jìn)入待機(jī)模式，當(dāng)有允許的中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU 將在6μs的時(shí)間內(nèi)被喚醒， 進(jìn)入活動(dòng)模式，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。執(zhí)行完

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