專利名稱：基于單片機(jī)的高精度快速積分型ad轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種AD轉(zhuǎn)換器，尤其是一種基于單片機(jī)的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換
o
背景技術(shù)：
AD轉(zhuǎn)換器常用于對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理的技術(shù)領(lǐng)域中，常見的AD轉(zhuǎn)換器類型 主要有并行比較型AD、逐次比較型AD、E -A調(diào)制型AD以及積分型AD等四種。并行比較型 AD采用多個(gè)比較器，僅作一次比較就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，換速率極高，但電路規(guī)模極大，價(jià)格也高； 逐次比較型AD又稱為逐次逼近型AD，特點(diǎn)是速度較高、功耗低，但不容易做到高分辨率； E-A型容易做到高分辨率，E -A型AD主要缺點(diǎn)是將占空信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的濾波器 極其復(fù)雜；積分型AD轉(zhuǎn)換器自問(wèn)世以來(lái)，在低速轉(zhuǎn)換場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用，它的主要優(yōu) 點(diǎn)是線性好，靈敏度高，特別是在抑制工頻干擾方面具有明顯的優(yōu)越性，但也存在明顯的缺 點(diǎn)即轉(zhuǎn)換速率很低；目前已有針對(duì)積分型AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率很低提出改進(jìn)的論文發(fā)表，如 發(fā)表在《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與S0C)2006年第22卷第1-2期上的名為“可編程邏輯器 件在積分式AD轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用”論文提出了新方法，雖然提高了積分式AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速 率，但技術(shù)方案仍顯復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提出一種基于單片機(jī)的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換 器，該AD轉(zhuǎn)換器可工作于外界干擾強(qiáng)尤其是工頻干擾較大的工業(yè)場(chǎng)合。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種基于單片機(jī)的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，包 括積分信號(hào)控制電路、積分器、電平比較電路及單片機(jī)四部分，所述的積分信號(hào)控制電路由 電阻R1、R2、R3和R4以及模擬電子開關(guān)K1、K2、K3和K4構(gòu)成，被轉(zhuǎn)換電壓Vi與電阻R1和 模擬電子開關(guān)K1串聯(lián)后連接到運(yùn)放的“_”輸入端，基準(zhǔn)電壓_Er —路與電阻R2和模擬電 子開關(guān)K2串聯(lián)后連接到運(yùn)放的“_”輸入端，另一路與電阻R3和模擬電子開關(guān)K3串聯(lián)后連 接到運(yùn)放的“_”輸入端；積分器由運(yùn)算放大器和電容C組成，電容C跨接在運(yùn)放的“_”輸入 端與輸出端之間，運(yùn)放的“ + ”端與地線相連，積分器輸出的OUT信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R4和模擬電 子開關(guān)K4串聯(lián)后也同樣連接到運(yùn)放的“_”輸入端；電平比較電路包括下限比較器、上限比 較器以及過(guò)零比較器三個(gè)高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過(guò)零比較器的三個(gè)輸 出信號(hào)分別與單片機(jī)的三個(gè)輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機(jī)輸出的UNK、SC、FC以及RC 四個(gè)信號(hào)分別與四個(gè)模擬電子開關(guān)K1、K2、K3以及K4的受控端相連并控制它們的通斷。進(jìn)一步具體的說(shuō)，本發(fā)明在所述的單片機(jī)的控制下，一次AD轉(zhuǎn)換過(guò)程包括以下四 個(gè)階段第一階段為信號(hào)積分階段，單片機(jī)發(fā)出低電平RC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K4斷開， 同時(shí)發(fā)出高電平UNK信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K1導(dǎo)通，使被測(cè)信號(hào)Vi通過(guò)電阻R1送入積分 器開始對(duì)電容器C進(jìn)行充電，同時(shí)積分器輸出的OUT信號(hào)送入電平比較電路與上限電平-VH 和下限電平-VL比較，在此階段，單片機(jī)不斷地檢測(cè)上、下限比較器送出的Hi、Li信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)積分器輸出的OUT信號(hào)低于上限值-VH就發(fā)出高電平FC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K3導(dǎo) 通，將基準(zhǔn)信號(hào)_Er通過(guò)電阻R3接入積分器對(duì)電容器C進(jìn)行快速放電；第二階段為快速基 準(zhǔn)積分階段，單片機(jī)發(fā)出低電平UNK信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K1斷開，同時(shí)檢測(cè)積分器輸出 的OUT信號(hào)，如低于下限電平-VL，就送出高電平FC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K3導(dǎo)通，將基準(zhǔn) 信號(hào)_Er通過(guò)電阻R3接入積分器對(duì)電容器C進(jìn)行快速放電，一旦積分器輸出的OUT信號(hào)高 于下限電平-VL后就斷開模擬電子開關(guān)K3;第三階段為慢速基準(zhǔn)積分階段，在此階段單片 機(jī)送出高電平SC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K2導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號(hào)_Er通過(guò)電阻R2接入積分器 對(duì)電容器C進(jìn)行慢速放電，直到積分器輸出的OUT信號(hào)大于零點(diǎn)；第四階段為調(diào)零階段，單 片機(jī)發(fā)出高電平RC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K4導(dǎo)通，將電阻R4接入運(yùn)放的“_”端和輸出端 之間，對(duì)積分器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零，為下次轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備。更進(jìn)一步的說(shuō)，為了提高精確度，本發(fā)明所述的單片機(jī)利用內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù) 器對(duì)FC信號(hào)的高電平時(shí)間進(jìn)行累加測(cè)量并得到計(jì)數(shù)結(jié)果N1，在慢速基準(zhǔn)積分階段單片機(jī) 對(duì)SC信號(hào)的高電平時(shí)間進(jìn)行測(cè)量并得到計(jì)數(shù)結(jié)果N2，通過(guò)公式N = K*N1+N2計(jì)算實(shí)際的 AD轉(zhuǎn)換值，其中K為慢速放電支路的電阻值與快速放電支路的電阻值之比。而慢速放電支 路的電阻值包括電阻R2及模擬電子開關(guān)K2的導(dǎo)通電阻，快速放電支路的電阻值包括電阻 R3及模擬電子開關(guān)K3的導(dǎo)通電阻。本發(fā)明的有益效果是1、在信號(hào)采樣積分階段時(shí)刻監(jiān)控積分器輸出電平，將積分 器的輸出電平限定在規(guī)定的范圍內(nèi)，既保證了 AD轉(zhuǎn)換器的線性，又提高了 AD轉(zhuǎn)換器輸入電 壓的范圍；2、在慢速基準(zhǔn)積分階段前增加了快速基準(zhǔn)積分階段，既減少了 AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間， 又提高了 AD轉(zhuǎn)換器的分辯率；3、采用單片機(jī)直接控制，省去了外部計(jì)數(shù)器和可編程邏輯器 件，既簡(jiǎn)化了電路，降低了成本，又使本發(fā)明更容易與相關(guān)AD測(cè)控系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的工作原理圖；圖2是本發(fā)明的工作時(shí)序圖；圖中1、積分信號(hào)控制電路；2、積分器；3、電平比較電路；4、單片機(jī)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。這些附圖均為簡(jiǎn)化的 示意圖，僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。如圖1所示的一種基于單片機(jī)的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，包括積分信號(hào)控制 電路1、積分器2、電平比較電路3及單片機(jī)4四部分，所述的積分信號(hào)控制電路1由電阻 Rl、R2、R3和R4以及模擬電子開關(guān)Kl、K2、K3和K4構(gòu)成，被轉(zhuǎn)換電壓Vi與電阻R1和模擬 電子開關(guān)K1串聯(lián)后連接到運(yùn)放的“_”輸入端，基準(zhǔn)電壓_Er —路與電阻R2和模擬電子開 關(guān)K2串聯(lián)后連接到運(yùn)放的“_”輸入端，另一路與電阻R3和模擬電子開關(guān)K3串聯(lián)后連接到 運(yùn)放的“_”輸入端；積分器2由運(yùn)算放大器和電容C組成，電容C跨接在運(yùn)放的“_”輸入端 與輸出端之間，運(yùn)放的“ + ”端與地線相連，積分器2輸出的OUT信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R4和模擬電 子開關(guān)K4串聯(lián)后也同樣連接到運(yùn)放的“_”輸入端；電平比較電路3包括下限比較器、上限
4比較器以及過(guò)零比較器三個(gè)高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過(guò)零比較器的三個(gè) 輸出信號(hào)分別與單片機(jī)的三個(gè)輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機(jī)4輸出的UNK、SC、FC以 及RC四個(gè)信號(hào)分別與四個(gè)模擬電子開關(guān)K1、K2、K3以及K4的受控端相連并控制它們的通 斷。如圖2所示，在單片機(jī)4的控制下，一次AD轉(zhuǎn)換過(guò)程通過(guò)以下四個(gè)階段完成第一階段為信號(hào)積分階段，單片機(jī)發(fā)出低電平RC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K4斷開， 同時(shí)發(fā)出高電平UNK信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K1導(dǎo)通，使被測(cè)信號(hào)Vi通過(guò)電阻R1送入積分 器2開始對(duì)電容器C進(jìn)行充電，同時(shí)積分器2輸出的OUT信號(hào)送入電平比較電路3與上限 電平-VH和下限電平-VL比較。在此階段，單片機(jī)不斷地檢測(cè)上、下限比較器送出的Hi、Li 信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)積分器輸出的OUT信號(hào)低于上限值-VH就發(fā)出高電平FC信號(hào)控制模擬電子 開關(guān)K3導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號(hào)_Er通過(guò)電阻R3接入積分器2對(duì)電容器C進(jìn)行快速放電，保證積 分器的輸出電平限定在規(guī)定的范圍內(nèi)。通過(guò)這種技術(shù)手段既保證了 AD轉(zhuǎn)換器的線性，又提 高了 AD轉(zhuǎn)換器輸入電壓的范圍。如單片機(jī)調(diào)整UNK信號(hào)的高電平時(shí)間為外界干擾(尤其是 工頻干擾)信號(hào)周期的整數(shù)倍時(shí)間，就可大幅度消除外界干擾信號(hào)對(duì)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。第二階段為快速基準(zhǔn)積分階段，單片機(jī)發(fā)出低電平UNK信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K1 斷開，同時(shí)檢測(cè)積分器輸出的OUT信號(hào)，如低于下限電平-VL，就送出高電平FC信號(hào)控制模 擬電子開關(guān)K3導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號(hào)_Er通過(guò)電阻R3接入積分器2對(duì)電容器C進(jìn)行快速放電， 一旦積分器輸出的OUT信號(hào)高于下限電平-VL后就斷開模擬電子開關(guān)K3。通過(guò)這種方法， 減少了 AD轉(zhuǎn)換時(shí)間。第三階段為慢速基準(zhǔn)積分階段，在此階段單片機(jī)送出高電平SC信號(hào)控制模擬電 子開關(guān)K2導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號(hào)_Er通過(guò)電阻R2接入積分器2對(duì)電容器C進(jìn)行慢速放電，直到 積分器輸出的OUT信號(hào)大于零點(diǎn)。由于R2的阻值遠(yuǎn)大于R3，使積分器輸出的OUT信號(hào)上升 過(guò)程較緩慢，便于單片機(jī)對(duì)該階段時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量，從而提高了 AD轉(zhuǎn)換器的分辯率。第四階段為調(diào)零階段，單片機(jī)發(fā)出高電平RC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K4導(dǎo)通，將電 阻R4接入運(yùn)放的“-”端和輸出端之間，對(duì)積分器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零，為下次轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備。需說(shuō)明的是在上述的信號(hào)積分階段和快速基準(zhǔn)積分階段期間，單片機(jī)利用內(nèi)部 的計(jì)數(shù)器對(duì)fc信號(hào)的高電平時(shí)間進(jìn)行累加測(cè)量，設(shè)單片機(jī)測(cè)量的計(jì)數(shù)值為m ；在慢速基準(zhǔn) 積分階段單片機(jī)對(duì)SC信號(hào)的高電平時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，設(shè)單片機(jī)測(cè)量的計(jì)數(shù)值為N2，則可以通 過(guò)公式N = K*N1+N2計(jì)算實(shí)際的AD轉(zhuǎn)換值，其中K為慢速放電支路的電阻值(包括R2及 模擬電子開關(guān)K2的導(dǎo)通電阻)與快速放電支路的電阻值(包括R3及模擬電子開關(guān)K3的 導(dǎo)通電阻)之比，通過(guò)適當(dāng)?shù)娜≈当ＷC此比例系數(shù)大等于100。由此可見本發(fā)明提供的方 法擴(kuò)大了計(jì)數(shù)值的范圍，提高了分辯率，實(shí)際應(yīng)用中本實(shí)施例很容易就達(dá)到6位半分辨率。特別要說(shuō)明的是本發(fā)明使用單片機(jī)產(chǎn)生各種控制信號(hào)，并利用單片機(jī)內(nèi)部的定 時(shí)器/計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)FC和SC信號(hào)的高電平進(jìn)行時(shí)間測(cè)量，保證了測(cè)量過(guò)程的精確同步，提 高了 AD測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，既省去了外部計(jì)數(shù)器及可編程邏輯器件、簡(jiǎn)化了電路、降低了 成本，又使本發(fā)明更容易與應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合。以上說(shuō)明書中描述的只是本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，各種舉例說(shuō)明不對(duì)本發(fā)明的實(shí) 質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了說(shuō)明書后可以對(duì)以前所述的具體 實(shí)施方式做修改或變形，而不背離發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
一種基于單片機(jī)的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，包括積分信號(hào)控制電路(1)、積分器(2)、電平比較電路(3)及單片機(jī)(4)四部分，其特征在于所述的積分信號(hào)控制電路(1)由電阻R1、R2、R3和R4以及模擬電子開關(guān)K1、K2、K3和K4構(gòu)成，被轉(zhuǎn)換電壓Vi與電阻R1和模擬電子開關(guān)K1串聯(lián)后連接到運(yùn)放的“-”輸入端，基準(zhǔn)電壓-Er一路與電阻R2和模擬電子開關(guān)K2串聯(lián)后連接到運(yùn)放的“-”輸入端，另一路與電阻R3和模擬電子開關(guān)K3串聯(lián)后連接到運(yùn)放的“-”輸入端；積分器(2)由運(yùn)算放大器和電容C組成，電容C跨接在運(yùn)放的“-”輸入端與輸出端之間，運(yùn)放的“+”端與地線相連，積分器(2)輸出的OUT信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻R4和模擬電子開關(guān)K4串聯(lián)后也同樣連接到運(yùn)放的“-”輸入端；電平比較電路(3)包括下限比較器、上限比較器以及過(guò)零比較器三個(gè)高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過(guò)零比較器的三個(gè)輸出信號(hào)分別與單片機(jī)(4)的三個(gè)輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機(jī)(4)輸出的UNK、SC、FC以及RC四個(gè)信號(hào)分別與四個(gè)模擬電子開關(guān)K1、K2、K3以及K4的受控端相連并控制它們的通斷。
2.如權(quán)利要求1所述的基于單片機(jī)的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，其特征在于在所 述的單片機(jī)(4)的控制下，一次AD轉(zhuǎn)換過(guò)程包括以下四個(gè)階段，第一階段為信號(hào)積分階段， 單片機(jī)發(fā)出低電平RC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K4斷開，同時(shí)發(fā)出高電平UNK信號(hào)控制模擬 電子開關(guān)K1導(dǎo)通，使被測(cè)信號(hào)Vi通過(guò)電阻Rl送入積分器(2)開始對(duì)電容器C進(jìn)行充電， 同時(shí)積分器⑵輸出的OUT信號(hào)送入電平比較電路(3)與上限電平-VH和下限電平-VL 比較，在此階段，單片機(jī)不斷地檢測(cè)上、下限比較器送出的Hi、Li信號(hào)，一旦發(fā)現(xiàn)積分器輸 出的OUT信號(hào)低于上限值-VH就發(fā)出高電平FC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K3導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信 號(hào)-Er通過(guò)電阻R3接入積分器(2)對(duì)電容器C進(jìn)行快速放電；第二階段為快速基準(zhǔn)積分階 段，單片機(jī)發(fā)出低電平UNK信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K1斷開，同時(shí)檢測(cè)積分器輸出的OUT信 號(hào)，如低于下限電平-VL，就送出高電平FC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K3導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號(hào)_Er 通過(guò)電阻R3接入積分器(2)對(duì)電容器C進(jìn)行快速放電，一旦積分器輸出的OUT信號(hào)高于下 限電平-VL后就斷開模擬電子開關(guān)K3 ；第三階段為慢速基準(zhǔn)積分階段，在此階段單片機(jī)送 出高電平SC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K2導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號(hào)_Er通過(guò)電阻R2接入積分器(2) 對(duì)電容器C進(jìn)行慢速放電，直到積分器輸出的OUT信號(hào)大于零點(diǎn)；第四階段為調(diào)零階段，單 片機(jī)發(fā)出高電平RC信號(hào)控制模擬電子開關(guān)K4導(dǎo)通，將電阻R4接入運(yùn)放的“-”端和輸出端 之間，對(duì)積分器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)零，為下次轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于單片機(jī)的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，其特征在于 所述的單片機(jī)(4)利用內(nèi)部的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器對(duì)FC信號(hào)的高電平時(shí)間進(jìn)行累加測(cè)量并得 到計(jì)數(shù)結(jié)果N1，在慢速基準(zhǔn)積分階段單片機(jī)對(duì)SC信號(hào)的高電平時(shí)間進(jìn)行測(cè)量并得到計(jì)數(shù) 結(jié)果N2，通過(guò)公式N = K*N1+N2計(jì)算實(shí)際的AD轉(zhuǎn)換值，其中K為慢速放電支路的電阻值與 快速放電支路的電阻值之比。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于單片機(jī)的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，它包括積分信號(hào)控制電路、積分器、電平比較電路及單片機(jī)四部分。積分信號(hào)控制電路由電阻R1、R2、R3、R4以及模擬電子開關(guān)K1、K2、K3、K4構(gòu)成；積分器由運(yùn)算放大器及電容C組成；電平比較電路包括下限比較器、上限比較器以及過(guò)零比較器等三個(gè)高速比較器；單片機(jī)輸出的UNK、SC、FC以及RC信號(hào)分別與模擬電子開關(guān)K1、K2、K3以及K4的受控端相連并控制它們的通斷。本發(fā)明采用單片機(jī)直接控制，省去了外部計(jì)數(shù)器和可編程邏輯器件，既簡(jiǎn)化了電路，降低了成本，又使本發(fā)明更容易與AD應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合。
文檔編號(hào)H03M1/12GK101860367SQ201010211598
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者房慧龍, 楊靜娟, 羅錦宏, 黃維翼 申請(qǐng)人:房慧龍