CN101860367B - 基于单片机的高精度快速积分型ad转换器 - Google Patents
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本发明涉及一种基于单片机的高精度快速积分型AD转换器，它包括积分信号控制电路、积分器、电平比较电路及单片机四部分。积分信号控制电路由电阻R1、R2、R3、R4以及模拟电子开关K1、K2、K3、K4构成；积分器由运算放大器及电容C组成；电平比较电路包括下限比较器、上限比较器以及过零比较器等三个高速比较器；单片机输出的UNK、SC、FC以及RC信号分别与模拟电子开关K1、K2、K3以及K4的受控端相连并控制它们的通断。本发明采用单片机直接控制，省去了外部计数器和可编程逻辑器件，既简化了电路，降低了成本，又使本发明更容易与AD应用系统结合。
Description
技术领域
本发明涉及一种AD转换器，尤其是一种基于单片机的高精度快速积分型AD转换器。
背景技术
AD转换器常用于对模拟信号进行数字处理的技术领域中，常见的AD转换器类型主要有并行比较型AD、逐次比较型AD、∑-Δ调制型AD以及积分型AD等四种。并行比较型AD采用多个比较器，仅作一次比较就能实现转换，换速率极高，但电路规模极大，价格也高；逐次比较型AD又称为逐次逼近型AD，特点是速度较高、功耗低，但不容易做到高分辨率；∑-Δ型容易做到高分辨率，∑-Δ型AD主要缺点是将占空信息转换为数字输出的滤波器极其复杂；积分型AD转换器自问世以来，在低速转换场合得到了广泛的应用，它的主要优点是线性好，灵敏度高，特别是在抑制工频干扰方面具有明显的优越性，但也存在明显的缺点即转换速率很低；目前已有针对积分型AD转换器转换速率很低提出改进的论文发表，如发表在《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2006年第22卷第1-2期上的名为“可编程逻辑器件在积分式AD转换器中的应用”论文提出了新方法，虽然提高了积分式AD转换器的转换速率，但技术方案仍显复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于单片机的高精度快速积分型AD转换器，该AD转换器可工作于外界干扰强尤其是工频干扰较大的工业场合。
本发明所采用的技术方案为：一种基于单片机的高精度快速积分型AD转换器，包括积分信号控制电路、积分器、电平比较电路及单片机四部分，所述的积分信号控制电路由电阻R1、R2、R3和R4以及模拟电子开关K1、K2、K3和K4构成，被转换电压Vi与电阻R1和模拟电子开关K1串联后连接到运算放大器的“-”输入端，基准电压-Er一路与电阻R2和模拟电子开关K2串联后连接到运算放大器的“-”输入端，基准电压-Er的另一路与电阻R3和模拟电子开关K3串联后连接到运算放大器的“-”输入端；积分器由运算放大器和电容C组成，电容C跨接在运算放大器的“-”输入端与输出端之间，运算放大器的“+”端与地线相连，积分器输出的OUT信号经过电阻R4和模拟电子开关K4串联后也同样连接到运算放大器的“-”输入端；电平比较电路包括下限比较器、上限比较器以及过零比较器三个高速比较器，下限比较器、上限比较器以及过零比较器的三个输出信号分别与单片机的三个输入端Li、Hi以及Zi相连；单片机输出的UNK、SC、FC以及RC四个信号分别与四个模拟电子开关K1、K2、K3以及K4的受控端相连并控制它们的通断。
进一步具体的说，本发明在所述的单片机的控制下，一次AD转换过程包括以下四个阶段：第一阶段为信号积分阶段，单片机发出低电平RC信号控制模拟电子开关K4断开，同时发出高电平UNK信号控制模拟电子开关K1导通，使被测信号Vi通过电阻R1送入积分器开始对电容器C进行充电，同时积分器输出的OUT信号送入电平比较电路与上限电平-VH和下限电平-VL比较，在此阶段，单片机不断地检测上、下限比较器送出的Hi、Li信号，一旦发现积分器输出的OUT信号低于上限值-VH就发出高电平FC信号控制模拟电子开关K3导通，将基准信号-Er通过电阻R3接入积分器对电容器C进行快速放电；第二阶段为快速基准积分阶段，单片机发出低电平UNK信号控制模拟电子开关K1断开，同时检测积分器输出的OUT信号，如低于下限电平-VL，就送出高电平FC信号控制模拟电子开关K3导通，将基准信号-Er通过电阻R3接入积分器对电容器C进行快速放电，一旦积分器输出的OUT信号高于下限电平-VL后就断开模拟电子开关K3；第三阶段为慢速基准积分阶段，在此阶段单片机送出高电平SC信号控制模拟电子开关K2导通，将基准信号-Er通过电阻R2接入积分器对电容器C进行慢速放电，直到积分器输出的OUT信号大于零点；第四阶段为调零阶段，单片机发出高电平RC信号控制模拟电子开关K4导通，将电阻R4接入运算放大器的“-”端和输出端之间，对积分器进行自动调零，为下次转换作准备。
更进一步的说，为了提高精确度，本发明所述的单片机利用内部的定时器/计数器对FC信号的高电平时间进行累加测量并得到计数结果N1，在慢速基准积分阶段单片机对SC信号的高电平时间进行测量并得到计数结果N2，通过公式N＝K*N1+N2计算实际的AD转换值，其中K为慢速放电支路的电阻值与快速放电支路的电阻值之比。而慢速放电支路的电阻值包括电阻R2及模拟电子开关K2的导通电阻，快速放电支路的电阻值包括电阻R3及模拟电子开关K3的导通电阻。
本发明的有益效果是：1、在信号采样积分阶段时刻监控积分器输出电平，将积分器的输出电平限定在规定的范围内，既保证了AD转换器的线性，又提高了AD转换器输入电压的范围；2、在慢速基准积分阶段前增加了快速基准积分阶段，既减少了AD转换的时间，又提高了AD转换器的分辩率；3、采用单片机直接控制，省去了外部计数器和可编程逻辑器件，既简化了电路，降低了成本，又使本发明更容易与相关AD测控系统结合应用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的工作原理图；
图2是本发明的工作时序图；
图中：1、积分信号控制电路；2、积分器；3、电平比较电路；4、单片机。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示的一种基于单片机的高精度快速积分型AD转换器，包括积分信号控制电路1、积分器2、电平比较电路3及单片机4四部分，所述的积分信号控制电路1由电阻R1、R2、R3和R4以及模拟电子开关K1、K2、K3和K4构成，被转换电压Vi与电阻R1和模拟电子开关K1串联后连接到运算放大器的“-”输入端，基准电压-Er一路与电阻R2和模拟电子开关K2串联后连接到运算放大器的“-”输入端，另一路与电阻R3和模拟电子开关K3串联后连接到运算放大器的“-”输入端；积分器2由运算放大器和电容C组成，电容C跨接在运算放大器的“-”输入端与输出端之间，运算放大器的“+”端与地线相连，积分器2输出的OUT信号经过电阻R4和模拟电子开关K4串联后也同样连接到运算放大器的“-”输入端；电平比较电路3包括下限比较器、上限比较器以及过零比较器三个高速比较器，下限比较器、上限比较器以及过零比较器的三个输出信号分别与单片机的三个输入端Li、Hi以及Zi相连；单片机4输出的UNK、SC、FC以及RC四个信号分别与四个模拟电子开关K1、K2、K3以及K4的受控端相连并控制它们的通断。
如图2所示，在单片机4的控制下，一次AD转换过程通过以下四个阶段完成：
第一阶段为信号积分阶段，单片机发出低电平RC信号控制模拟电子开关K4断开，同时发出高电平UNK信号控制模拟电子开关K1导通，使被测信号Vi通过电阻R1送入积分器2开始对电容器C进行充电，同时积分器2输出的OUT信号送入电平比较电路3与上限电平-VH和下限电平-VL比较。在此阶段，单片机不断地检测上、下限比较器送出的Hi、Li信号，一旦发现积分器输出的OUT信号低于上限值-VH就发出高电平FC信号控制模拟电子开关K3导通，将基准信号-Er通过电阻R3接入积分器2对电容器C进行快速放电，保证积分器的输出电平限定在规定的范围内。通过这种技术手段既保证了AD转换器的线性，又提高了AD转换器输入电压的范围。如单片机调整UNK信号的高电平时间为外界干扰(尤其是工频干扰)信号周期的整数倍时间，就可大幅度消除外界干扰信号对AD转换结果的影响。
第二阶段为快速基准积分阶段，单片机发出低电平UNK信号控制模拟电子开关K1断开，同时检测积分器输出的OUT信号，如低于下限电平-VL，就送出高电平FC信号控制模拟电子开关K3导通，将基准信号-Er通过电阻R3接入积分器2对电容器C进行快速放电，一旦积分器输出的OUT信号高于下限电平-VL后就断开模拟电子开关K3。通过这种方法，减少了AD转换时间。
第三阶段为慢速基准积分阶段，在此阶段单片机送出高电平SC信号控制模拟电子开关K2导通，将基准信号-Er通过电阻R2接入积分器2对电容器C进行慢速放电，直到积分器输出的OUT信号大于零点。由于R2的阻值远大于R3，使积分器输出的OUT信号上升过程较缓慢，便于单片机对该阶段时间进行精确测量，从而提高了AD转换器的分辩率。
第四阶段为调零阶段，单片机发出高电平RC信号控制模拟电子开关K4导通，将电阻R4接入运算放大器的“-”端和输出端之间，对积分器进行自动调零，为下次转换作准备。
需说明的是：在上述的信号积分阶段和快速基准积分阶段期间，单片机利用内部的计数器对FC信号的高电平时间进行累加测量，设单片机测量的计数值为N1；在慢速基准积分阶段单片机对SC信号的高电平时间进行测量，设单片机测量的计数值为N2，则可以通过公式N＝K*N1+N2计算实际的AD转换值，其中K为慢速放电支路的电阻值(包括R2及模拟电子开关K2的导通电阻)与快速放电支路的电阻值(包括R3及模拟电子开关K3的导通电阻)之比，通过适当的取值保证此比例系数大等于100。由此可见：本发明提供的方法扩大了计数值的范围，提高了分辩率，实际应用中本实施例很容易就达到6位半分辨率。
特别要说明的是：本发明使用单片机产生各种控制信号，并利用单片机内部的定时器/计数器实现对FC和SC信号的高电平进行时间测量，保证了测量过程的精确同步，提高了AD测量结果的稳定性，既省去了外部计数器及可编程逻辑器件、简化了电路、降低了成本，又使本发明更容易与应用系统结合。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。
Claims (1)
1.一种基于单片机的高精度快速积分型AD转换器，包括积分信号控制电路(1)、积分器(2)、电平比较电路(3)及单片机(4)四部分，其特征在于：所述的积分信号控制电路(1)由电阻R1、R2、R3和R4以及模拟电子开关K1、K2、K3和K4构成，被转换电压Vi与电阻R1和模拟电子开关K1串联后连接到运算放大器的“-”输入端，基准电压-Er一路与电阻R2和模拟电子开关K2串联后连接到运算放大器的“-”输入端，基准电压-Er的另一路与电阻R3和模拟电子开关K3串联后连接到运算放大器的“-”输入端；积分器(2)由运算放大器和电容C组成，电容C跨接在运算放大器的“-”输入端与输出端之间，运算放大器的“+”端与地线相连，积分器(2)输出的OUT信号经过电阻R4和模拟电子开关K4串联后也同样连接到运算放大器的“-”输入端；电平比较电路(3)包括下限比较器、上限比较器以及过零比较器三个高速比较器，下限比较器、上限比较器以及过零比较器的三个输出信号分别与单片机(4)的三个输入端Li、Hi以及Zi相连；单片机(4)输出的UNK、SC、FC以及RC四个信号分别与四个模拟电子开关K1、K2、K3以及K4的受控端相连并控制它们的通断；在所述的单片机(4)的控制下，一次AD转换过程包括以下四个阶段，第一阶段为信号积分阶段，单片机发出低电平RC信号控制模拟电子开关K4断开，同时发出高电平UNK信号控制模拟电子开关K1导通，使被测信号Vi通过电阻R1送入积分器(2)开始对电容器C进行充电，同时积分器(2)输出的OUT信号送入电平比较电路(3)与上限电平-VH和下限电平-VL比较，在此阶段，单片机不断地检测上、下限比较器送出的Hi、Li信号，一旦发现积分器输出的OUT信号低于上限值-VH就发出高电平FC信号控制模拟电子开关K3导通，将基准信号-Er通过电阻R3接入积分器(2)对电容器C进行快速放电；第二阶段为快速基准积分阶段，单片机发出低电平UNK信号控制模拟电子开关K1断开，同时检测积分器输出的OUT信号，如低于下限电平-VL，就送出高电平FC信号控制模拟电子开关K3导通，将基准信号-Er通过电阻R3接入积分器(2)对电容器C进行快速放电，一旦积分器输出的OUT信号高于下限电平-VL后就断开模拟电子开关K3；第三阶段为慢速基准积分阶段，在此阶段单片机送出高电平SC信号控制模拟电子开关K2导通，将基准信号-Er通过电阻R2接入积分器(2)对电容器C进行慢速放电，直到积分器输出的OUT信号大于零点；第四阶段为调零阶段，单片机发出高电平RC信号控制模拟电子开关K4导通，将电阻R4接入运算放大器的“-”端和输出端之间，对积分器进行自动调零，为下次转换作准备；所述的单片机(4)利用内部的定时器/计数器对FC信号的高电平时间进行累加测量并得到计数结果N1，在慢速基准积分阶段单片机对SC信号的高电平时间进行测量并得到计数结果N2，通过公式N＝K*N1+N2计算实际的AD转换值，其中K为慢速放电支路的电阻值与快速放电支路的电阻值之比；而慢速放电支路的电阻值包括电阻R2及模拟电子开关K2的导通电阻，快速放电支路的电阻值包括电阻R3及模拟电子开关K3的导通电阻。
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