CN107222213B - 一种基于单片机技术的模数转换器 - Google Patents
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Abstract
一种基于单片机技术的模数转换器，包括电源+Vcc，场效应管J103，单片机、若干电容、电阻和二极管；电源+Vcc连接电阻R1与场效应管J103，场效应管J103串联电阻R1组成“可控恒流源”，引入电流负反馈可获得恒流电源I0；场效应管J103与二极管D1、D2相连，其中D1连接单片机引脚3，D2、D3串联，D3连接单片机引脚11、电容C1和电阻R0，三只二极管D1、D2、D3构成电子开关；本发明的核心在于利用单片机上的比较器，通过软化模拟一种同步型电压‑数字转换器，达到减少硬件数量和成本的目的，同时所述电压‑数字转换器在线性度、分辨率、抗干扰性、动态范围乃至在低元件敏感度上都有上佳的表现。
Description
技术领域
本发明涉及一种模数转换器，尤其是一种基于单片机技术的模数转换器。
背景技术
A/D转换器是沟通模拟与数字的桥梁，一般作为与单片机异步前向的外设通道来配置，作为一种模拟和数字的混合体，市面上低速、低分辨率的通用型A/D模组其售价都高于单片机，而且A/D转换器本身还要配置电压基准和众多数量的电阻电容，这样就要占用更多的PCB版面和布线，加之过多外配元件必然带来对环境的敏感性和通过这些外配元件引入的内外部热噪声和蠕变偏移。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开一种基于单片机技术的模数转换器，包括电源+Vcc，场效应管J103，单片机、若干电容、电阻和二极管；电源+Vcc连接电阻R1与场效应管J103的栅极，场效应管J103串联电阻R1组成可控恒流源，引入电流负反馈可获得恒流电源I0；场效应管J103的漏极与二极管D1的正极、二极管D2的负极相连，二极管D1的负极连接单片机引脚3，二极管D2、二极管D3串联，二极管D3的负极连接单片机引脚11、电容C1和电阻R0，三只二极管D1、D2、D3构成电子开关；电容C2和电阻R0并联接地，电阻R0并联电容C2构成RC积分电路，将输入信号进行积分运算；输入电源Vin连接电阻R2接入单片机引脚13，单片机引脚13连接电容C1接地，电阻R2并联电容C1构成阻容低通滤波器，电阻R2引入需要转换的模拟信号Vin,经所述阻容低通滤波器过滤掉输入信号Vin中的交流拨动后输入到单片机片内的比较器正向输入端COM+；单片机引脚12接入电源+Vcc，单片机引脚14接地，单片机型号为15W413AS-28。
优选的，所述场效应管J103为P沟道结型场效应管。
优选的，所述若干电容、电阻和二极管为：电容C1、C2；电阻R0、R1、R2；二极管D1、D2、D3。
优选的，所述二极管为高速开关二极管1N4148。
一种基于单片机技术的模数转换方法，所述方法包括主流程与子流程，所述主流程为：首先整个系统上电开始，然后单片机配置比较器接着配置定时器，然后设置总采样次数N0，最后清零充电次数N后进入休眠；所述子流程：首先定时中断子程序，然后将比较结果传送到P1.0判断结果，如结果为高，则对应运行算法“N＝N+1”增加一个充电计数，否则就跳过计数，此过程后再做采样，采样次数运行“N0＝N0-1”次，如采样次数没有为0，则中断返回；如果采样次数为0，则将“转移存储N”到寄存器RAM中，此时寄存器RAM中的值即为A/D转换结果，最后重新赋值N0和N返回主流程。
由于单片机都配置了比较器，本发明的核心在于利用单片机上的比较器，通过软化模拟一种同步型电压-数字转换器，达到减少硬件数量和成本的目的，同时所述电压-数字转换器在线性度、分辨率、抗干扰性、动态范围乃至在低元件敏感度上都有上佳的表现。
附图说明
图1为硬件电路图。
图2为A/D转换器图。
图3为恒流原理，与J103转移特性曲线。
图4为具体实施方式流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，一种基于单片机技术的模数转换器，其特征在于：包括电源+Vcc，场效应管J103，单片机、若干电容、电阻和二极管；电源+Vcc连接电阻R1与场效应管J103的栅极，场效应管J103串联电阻R1组成可控恒流源，引入电流负反馈可获得恒流电源I0；场效应管J103的漏极与二极管D1的正极、二极管D2的负极相连，二极管D1的负极连接单片机引脚3，二极管D2、二极管D3串联，二极管D3的负极连接单片机引脚11、电容C1和电阻R0，三只二极管D1、D2、D3构成电子开关；电容C2和电阻R0并联接地，电阻R0并联电容C2构成RC积分电路，将输入信号进行积分运算；输入电源Vin连接电阻R2接入单片机引脚13，单片机引脚13连接电容C1接地，电阻R2并联电容C1构成阻容低通滤波器，电阻R2引入需要转换的模拟信号Vin,经所述阻容低通滤波器过滤掉输入信号Vin中的交流拨动后输入到单片机片内的比较器正向输入端COM+；单片机引脚12接入电源+Vcc，单片机引脚14接地，单片机型号为15W413AS-28。
所述场效应管J103为P沟道结型场效应管。
所述若干电容、电阻和二极管为：电容C1、C2；电阻R0、R1、R2；二极管D1、D2、D3。
所述二极管为高速开关二极管1N4148。
一种基于单片机技术的模数转换器，其硬件工作原理如下：首先“恒流源”在P沟道结型场效应管串联电阻R1上引入电流负反馈获得I0，单片机引脚P1.0控制二极管D1、D2、D3构成的电子开关的导通，和COM-是动态平衡的，由于积分电容C2上电压COM-在跟踪输入电压COM+，此刻COM+没有变，COM-动态平均值也不变，此时电容C2上的电荷等于电容C2通过电阻R0放出去的电荷，当CMO+>COM-P1.0＝1时二极管D1反向截止，二极管D2、D3正向导通，所述恒流源I0穿过二极管D1、D2向所述积分电路充电使COM-电压上升高并超过COM+；当COM+<COM-P1.0＝0时，二极管D1因正向导通钳位，所述恒流源I0穿过二极管D1通过单片机接地下拉，二极管D2和D3因反向偏置被迫截止，然后电容C2上的电压随着电阻R0的放电逐渐下降，其趋势也同样是追寻COM+和COM-电压之间的平衡。
如图4所示，一种基于单片机技术的模数转换器，包括硬件与具体实施方式，所述具体实施方式包括主流程与子流程，所述主流程为：首先整个系统上电开始，然后单片机配置比较器接着配置定时器，然后设置总采样次数N0，最后清零充电次数N后进入休眠；所述子流程为：首先定时中断子程序，然后将比较结果传送到P1.0判断结果，如结果为高，则对应运行算法“N＝N+1”增加一个充电计数，否则就跳过计数，此过程后再做采样，采样次数运行“N0＝N0-1”次，如采样次数没有为0，则中断返回；如果采样次数为0，则将“转移存储N”到寄存器RAM中，此时寄存器RAM中的值即为A/D转换结果，最后重新赋值N0和N返回主流程。
首先定义一个的数据存储器单元作为A/D转换结果数据寄存器，启动A/D转换之前在此寄存器内预置一个采样次数N0，比较器的同相端电平高于反相端电平时，比较器输出逻辑“1”，并产生一次中断，比较器的同相端电平低于反相端电平时，比较器输出逻辑“0”，也产生一次中断，比较器输出逻辑状态“1”或“0”可从其特殊功能寄存器的相关位查询获取。在比较器中断程序中，根据查询结果逐次修改“A/D转换结果数据寄存器”中的数据，使电平逐次逼近并最终收敛于待转换模拟信号电平，收敛时数据寄存器中的值即为A/D转换结果，具体如图2所示，本发明中单片机的比较器被用作沟通模拟到数字之间的桥梁，通过对其实施所述方法可以直接等效为一片D触发器。
设定总的采样窗口时间是N0*T0,总的充电时间为N*T0，总的放电时间为(N0-N)*T，然后根据充放电的净电荷量相等的关系可以列出等量式：(I0-VIN/R0)*N*T0＝VIN/R0*(N0-N)*TO整理得N＝N0*VIN/(I0*R0)＝N0*VIN/VREF其中VREF＝I0*R0为标准的A/D转换线性关系式。
对于系统的稳定性而言，N0是认为赋予的一个固定的数，一旦被赋予以后是不会变的，一般说来电阻的热稳定性是非常高的，电阻R1和电阻R0都采用10K阻值的电阻，使得在同一环境下其变化趋势相同，使得VREF＝I0*R0A/D转换线性关系式变得非常稳定，而P沟道结型场效应管最大优势就是热稳定性非常好，所以本发明涉及的一种基于单片机技术的模数转换器环境适应能力非常好。
对于系统的线性度而言，如图3所示，左图是源栅电压VSG对恒流I0的控制特性和通过R1引入电流负反馈恒流值与电阻之间的曲线交汇关系，是一个连列的超越方程，I0＝f(Vgs)是曲线，Vgs＝I0*R0是过坐标的原点的直线，二者相交的地方就是恒流值I0,图中R1表示当电阻R1阻值增大时，电流I0’将减小，由于系统中R0和R1是同步增大的，所以在VREF乘积中相互抵消确保了VREF不随环境因素改变；图3右图示意了P沟道结型场效应管J103的转移特性曲线，显示的是控制P沟道结型场效应管J103漏源电压对电流I0的影响，在图中竖直中线的右侧，当P沟道结型场效应管J103内部沟道夹断时，电流I0完全不受VGS电压变化的影响，保证了无论是C2上的电压是高还是低，电流I0都是不变的，保障了系统有极高的线性度。
本发明利用单片机上的比较器，通过软化模拟一种同步型电压-数字的模数转换器，达到了减少硬件数量和成本的目的，同时所述电压-数字转换器在线性度、分辨率、抗干扰性、动态范围乃至在低元件敏感度上都有上佳的表现。
Claims (4)
1.一种基于单片机技术的模数转换器，其特征在于：包括电源+Vcc，场效应管J103，单片机、若干电容、电阻和二极管；电源+Vcc连接电阻R1与场效应管J103的栅极，场效应管J103串联电阻R1组成可控恒流源，引入电流负反馈可获得恒流电源I0；场效应管J103的漏极与二极管D1的正极、二极管D2的正极相连，二极管D1的负极连接单片机引脚3，二极管D2、二极管D3串联，二极管D3的负极连接单片机引脚11、电容C1和电阻R0，三只二极管D1、D2、D3构成电子开关；电容C2和电阻R0并联接地，电阻R0并联电容C2构成RC积分电路，将输入信号进行积分运算；输入电源Vin连接电阻R2接入单片机引脚13，单片机引脚13连接电容C1接地，电阻R2并联电容C1构成阻容低通滤波器，电阻R2引入需要转换的模拟信号Vin,经所述阻容低通滤波器过滤掉输入信号Vin中的交流拨动后输入到单片机片内的比较器正向输入端COM+；单片机引脚12接入电源+Vcc，单片机引脚14接地，单片机型号为15W413AS-28。
2.如权利要求1所述的一种基于单片机技术的模数转换器，其特征在于：所述场效应管J103为P沟道结型场效应管。
3.如权利要求1所述的一种基于单片机技术的模数转换器,其特征在于：所述二极管为高速开关二极管1N4148。
4.一种基于单片机技术的模数转换方法，其特征在于：采用权利要求1-3任一所述的模数转换器，所述方法包括主流程与子流程，所述主流程为：首先整个系统上电开始，然后单片机配置比较器接着配置定时器，然后设置总采样次数N0，最后清零充电次数N后进入休眠；所述子流程：首先定时中断子程序，然后将比较结果传送到P1.0判断结果，如结果为高，则对应运行算法“N＝N+1”增加一个充电计数，否则就跳过计数，此过程后再做采样，采样次数运行“N0＝N0-1”次，如采样次数没有为0，则中断返回；如果采样次数为0，则将“转移存储N”到寄存器RAM中，此时寄存器RAM中的值即为A/D转换结果，最后重新赋值N0和N返回主流程。
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