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

　　本設(shè)計所采用的是MSP430F1232微控制器，具有非常高的集成度，除內(nèi)部帶有具有PWM功能的定時器外，片內(nèi)還集成了10通道的1 0位A / D轉(zhuǎn)換、溫度傳感器、USART、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器DCO、大量的具有中斷功能的I/O 端口、大容量的片內(nèi)Flash 和RAM 以及信息Flash 存儲器[4]。其中的16位定時器A中帶有3個捕獲/比較通道，內(nèi)部的Flash 存儲器可以實現(xiàn)掉電保護(hù)和軟件升級。由此采用MSP430單片機(jī)作為該設(shè)計的處理器，不但可簡化系統(tǒng)電路設(shè)計、縮短開發(fā)周期，降低系統(tǒng)功耗，還可利用其內(nèi)部集成的溫度傳感器，方便的對被測模擬量進(jìn)行溫度補償，從而使系統(tǒng)的測試精度得以提高。

　　4. A/D 轉(zhuǎn)換分辨率分析及主程序設(shè)計

　　由于采用PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率取決于控制PWM脈沖占空比的定時器的計數(shù)值位數(shù)或字長，因此可通過改變定時器計數(shù)位數(shù)來改變A/D轉(zhuǎn)換的分辨率，而MSP430單片機(jī)的內(nèi)部定時器A中的計數(shù)器字長為16位，因此其PWM信號占空比的調(diào)整范圍為0～216-1，于是當(dāng)系統(tǒng)定時器的計數(shù)器字長為16位時，采用PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器的最大分辨率可達(dá)16位。由于單片機(jī)內(nèi)部的16位定時器采用晶振作為內(nèi)部計數(shù)器的工作時鐘，因此其定時精度一般都較高，且其計數(shù)值與PWM脈沖占空比成嚴(yán)格的線性關(guān)系，輸入脈沖精確，因此A/D轉(zhuǎn)換的線性度和精度較好，線性度誤差小于1%。轉(zhuǎn)換速率與分辨率和選取的PWM信號的周期有關(guān)，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時間越長，但同采用V/F方式相比較，轉(zhuǎn)換速度要快的多。

　　為了能夠縮短試探時間提高在高分辨率下的采樣速度，采用改進(jìn)的逐次逼近的對分試探法使得試探值能夠迅速逼近被測模擬量。常規(guī)的對分試探法是每次試探開始時，首先將最大計數(shù)值的一半(即字長對分值)作為試探初值并將其轉(zhuǎn)換成PWM信號輸出，相當(dāng)于輸出1:1占空比的PWM脈沖信號，然后測試比較器的狀態(tài)，以確定當(dāng)前試探值的大小，若試探值小于被測模擬量，則保留當(dāng)前試探值，否則去掉，然后再將剩余值的一半(即：剩余對分值)作為新的增量與上次保留值相加后產(chǎn)生新的試探值并將其轉(zhuǎn)換成PWM脈沖信號輸出，再測試比較器的狀態(tài)，若大于被測模擬量，則去掉當(dāng)前增量，否則保留，隨后每次的輸出都將剩余對分值作為增量進(jìn)行試探，一直持續(xù)的試探下去，直到試探完與分辨率相當(dāng)?shù)拇螖?shù)，例如：實現(xiàn)具有16位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換就要試探16次。由于該方法在采樣時無論當(dāng)前采樣值試探值多么接近被測值，其每次采樣的試探次數(shù)都相同，為減小試探次數(shù)提高采樣速率，在本設(shè)計中采用了一種改進(jìn)的逐次逼近試探算法，可大大減少試探次數(shù)，其具體實現(xiàn)的方法是：當(dāng)?shù)谝淮卧囂酵瓴@得采樣值后，保留當(dāng)前采樣值，不再以剩余對分值作為新的增量，而是以最小值作為初次增量(即：將最低位置1，可將其看作權(quán)值)，與上次保留值相加并轉(zhuǎn)換成PWM信號輸出，通過測試比較器輸出確定當(dāng)前增量值是否需要保留，若試探值小于被測模擬量，則保留當(dāng)前試探值，否則去掉。若需要增大試探值時，則可將權(quán)值左移一位再與上次試探值相加，以形成新的試探值，這樣可以使逐次逼近試探值總處在跟蹤試探狀態(tài)，從而大大減少了試探次數(shù)。由于在實際測試過程中被測模擬量一般很少有突變情況發(fā)生，大都處在緩變增加或緩變減小狀態(tài)，因此采用這種改進(jìn)的逐次逼近的試探算法，將會有效的提高A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率。

　　采用PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器的主程序，采用匯編語言編寫。其主程序流程圖如圖5所示:

　　5. 結(jié)束語

　　采用普通元器件利用MCU內(nèi)部定時器結(jié)合PWM技術(shù)設(shè)計高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，改變A/D轉(zhuǎn)換的分辨率只須修改PWM定時器的有關(guān)參數(shù)即可，靈活方便，穩(wěn)定性好，線性度高，由于該轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的連接僅為兩條信號線，因此，可以很方便的采用光電隔離技術(shù)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，另外由于電路中的低通濾波環(huán)節(jié)，使得電路本身也具有一定的抗干擾能力，這比較適合在具有較強的干擾環(huán)境中使用，采用改進(jìn)的逐次逼近試探算法實現(xiàn)對模擬電壓的測量或A/D變換，提高了采樣速率，轉(zhuǎn)換電路設(shè)計及算法實現(xiàn)簡單，測試分辨率和精度較高，具有較好的應(yīng)用價值。