基于8OC196的高精度、低成本AD轉(zhuǎn)換

介紹了一種基于80C196單片機的A／D轉(zhuǎn)換硬件電路和軟件實現(xiàn)， 利用80C196自帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出及簡單外圍電路，實現(xiàn)了高精度、高速A／D轉(zhuǎn)換。該方法同時具有成本低、實用性強等特點。

關(guān)鍵詞：單片機；A／D轉(zhuǎn)換；PWM信號；分辨率

0 引言

在智能化儀表中，A／D轉(zhuǎn)換器直接影響儀表的性能，A／D轉(zhuǎn)換器的性能主要在兩個方面，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間。目前常用的有逐次逼近型轉(zhuǎn)換器、并行轉(zhuǎn)換器、雙積分轉(zhuǎn)換器等。其中，雙積分A／D轉(zhuǎn)換器因為轉(zhuǎn)換精度高、抗干擾性能強，并且價格相對較低，在數(shù)字測溫儀表以及工業(yè)現(xiàn)場的慢變信號數(shù)據(jù)采集中得到非常廣泛的應用。但是雙積分A／D轉(zhuǎn)換器在實際應用中仍有不足之處。由于其工作過程中零點漂移誤差、以及電容充放電造成的非線性，使得其如要獲得較高的精度，對電路中運放、電阻、電壓基準等元件的精確度和溫漂系數(shù)等指標的要求就非常高，特別是它不適合快變信號的數(shù)據(jù)采集。而適合快變信號的高精度并行轉(zhuǎn)換器的價格太高，如12位精度的AD7874價格就十分昂貴。因此尋找一種高精度、高速且低成本的A／D轉(zhuǎn)換方法是有實用價值的。本文利用Intel公司單片機80C196自帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出，外加放大器、濾波器等簡單電路配合，實現(xiàn)了高精度(最高可達18位精度)、高速A／D轉(zhuǎn)換，滿足快變信號的A／D轉(zhuǎn)換要求。經(jīng)使用表明，該A／D轉(zhuǎn)換方法的性價比高，效果非常好。

1 80C196簡介

80C196是INTEL公司推出的一種準16位單片機系列，常見的型號有80C196KB、80C196KC、80C196KT等，本文選用了80Cl96KB，與其他通用的單片機相比，80C196KB主要有以下特點：(1)片上232字節(jié)的寄存器兼有RAM和累加器的功能，克服了面向累加器引起的瓶頸問題，提高了執(zhí)行效率；(2)具有8通道10位A／D轉(zhuǎn)換器(逐次逼近型)，特別適合于智能儀表、控制系統(tǒng)等應用領(lǐng)域；(3)脈寬調(diào)制輸出器PWM，PWM信號經(jīng)過積分就可以獲得直流輸出，可作為D／A轉(zhuǎn)換器使用，D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位；(4)高速輸入／輸出器(HSI／HSC)),HSI／HSO特別適合于測量和產(chǎn)生分辨力高達2us的脈沖；(5)16為監(jiān)視定時器(WDT)，即看門狗，有軟硬件故障時，WDT將使系統(tǒng)復位，提供了一種軟硬件故障的恢復能力；(6)可動態(tài)配置的總線，在運行過程中，80C196KB總線可以動態(tài)地配置成8位或16位，以便適應對外部存儲器進行字節(jié)操作或字操作的不同需求。

80C196的特點決定了它很適合應用于自動化儀表與控制，自帶的A／D可以方便的進行數(shù)據(jù)采集，PWM可以輸出D／A信號，WDT保證了運行的可靠性，HIS／HSO方便脈沖信號的測量與產(chǎn)生。80C196KB共有68管腳，采用PLCC型封裝，其管腳圖如圖1所示。

2 A／D轉(zhuǎn)換的硬件實現(xiàn)

利用80C196KB自帶的10位A／D轉(zhuǎn)換器和PWM輸出，實現(xiàn)高精度A／D轉(zhuǎn)換的原理如下：假設傳感器提供的信號為Vs，經(jīng)放大后提供給A／D轉(zhuǎn)換器信號為As，A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果為Rd，A／D轉(zhuǎn)換的舍入誤差為Ed，對于逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換有0≤Edlbit，若As對應的真實數(shù)字量為Ad，則有：Ad=Rd+Ed，所以有：Ad-Rd=Ed，在此，Rd信號由10位A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果舍掉后兩位后得到，它作為A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位，然后由PWM信號輸出，經(jīng)濾波后得到Rd的模擬量RA，取As與RA的差分信號Es=As-RA，放大28倍后再次A／D轉(zhuǎn)換，第二次轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量作為低10位數(shù)字量，兩次A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果合成后可以達到18位精度，其電路實現(xiàn)如圖2所示。該圖經(jīng)實驗驗證和實際運行證明性能良好，具有實用性和參考價值。

圖中，運算放大器H1和H2構(gòu)成了差分放大器，H1和H2應選用性能較好的運算放大器，該電路具有極高的共模抑制比，傳感器信號Vs經(jīng)過差分放大器放大后得到As，As連接到80C196KB的0號A／D通道輸入口ACH0，A／D轉(zhuǎn)換后得到高8位數(shù)字量；80C196KB的PWM輸出信號經(jīng)過U2與E2構(gòu)成的濾波器濾波后，得到直流信號Rd，這就是80C196KB通過PWM進行D／A轉(zhuǎn)換的典型電路；運算放大器H3構(gòu)成的電路實現(xiàn)Es×28，該信號連接到80C196KB的1號A／D通道輸入口ACH1，完成Es的A／D轉(zhuǎn)換，得到低位數(shù)字量。通過軟件合并高位數(shù)字量和低位數(shù)字量即可實現(xiàn)高精度A／D轉(zhuǎn)換。

3 A／D轉(zhuǎn)換的軟件實現(xiàn)

為保證實時性，A／D轉(zhuǎn)換的軟件通過中斷方式實現(xiàn)，首先主程序在初始化中設定定時器和A／D中斷工作模式，定時器中斷到來時啟動0通道A／D轉(zhuǎn)換。A／D中斷時，判斷A／D的通道號，當0通道ACH0中斷時，讀取并保存A／D結(jié)果的高8位，通過PWM輸出該結(jié)果，然后啟動下一次l通道ACHl的A／D轉(zhuǎn)換；當ACHl中斷時，讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果并與高8位合并，得到最終結(jié)果。

當采用12MHz晶振時，80C196KB的A／D轉(zhuǎn)換時間為22us，PWM輸出周期是64us，PWM信號輸出后，為使D／A結(jié)果穩(wěn)定后再啟動ACHl，延時了3倍PWM周期，整個A／D轉(zhuǎn)換時間(包括A／D轉(zhuǎn)換時間和軟件運行時間)可以在1ms內(nèi)完成。A／D中斷服務程序的流程框圖如圖3所示。初始化程序和定時器中斷服務程序較簡單，流程圖略。

4 結(jié)束語

利用80C196KB單片機的內(nèi)置10位A／D轉(zhuǎn)換器和PWM信號，輔以簡單的放大電路和濾波電路實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。這種方法成本低、精度高、速度快、容易實現(xiàn)，具有較高的實用價值。該A／D轉(zhuǎn)換方法在我單位研制的全自動數(shù)控對刀儀上得到成功應用。