專利名稱：一種基于單片機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：
本實用新型涉及一種AD轉(zhuǎn)換器，尤其是一種基于單片機的高精度快速積分型AD 轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
AD轉(zhuǎn)換器常用于對模擬信號進行數(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、Σ -Δ調(diào)制型AD以及積分型AD等四種。并行比較 型AD采用多個比較器，僅作一次比較就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，換速率極高，但電路規(guī)模極大，價格也 高；逐次比較型AD又稱為逐次逼近型AD，特點是速度較高、功耗低，但不容易做到高分辨 率；Σ - Δ型容易做到高分辨率，Σ - Δ型AD主要缺點是將占空信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的濾 波器極其復(fù)雜；積分型AD轉(zhuǎn)換器自問世以來，在低速轉(zhuǎn)換場合得到了廣泛的應(yīng)用，它的主 要優(yōu)點是線性好，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 的缺點即轉(zhuǎn)換速率很低；目前已有針對積分型AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率很低提出改進的論文發(fā) 表，如發(fā)表在《微計算機信息》(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。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提出一種基于單片機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尤其是工頻干擾較大的工業(yè)場合。本實用新型所采用的技術(shù)方案為一種基于單片機的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換 器，包括積分信號控制電路、積分器、電平比較電路及單片機四部分，所述的積分信號控制 電路由電阻R1、R2、R3和R4以及模擬電子開關(guān)K1、K2、K3和Κ4構(gòu)成，被轉(zhuǎn)換電壓Vi與電阻 Rl和模擬電子開關(guān)Kl串聯(lián)后連接到運放的“_”輸入端，基準(zhǔn)電壓-Er —路與電阻R2和模 擬電子開關(guān)Κ2串聯(lián)后連接到運放的“_”輸入端，另一路與電阻R3和模擬電子開關(guān)Κ3串聯(lián) 后連接到運放的“_”輸入端；積分器由運算放大器和電容C組成，電容C跨接在運放的“-” 輸入端與輸出端之間，運放的“ + ”端與地線相連，積分器輸出的OUT信號經(jīng)過電阻R4和模 擬電子開關(guān)K4串聯(lián)后也同樣連接到運放的“_”輸入端；電平比較電路包括下限比較器、上 限比較器以及過零比較器三個高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過零比較器的三 個輸出信號分別與單片機的三個輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機輸出的UNK、SC、FC以 及RC四個信號分別與四個模擬電子開關(guān)K1、K2、K3以及Κ4的受控端相連并控制它們的通 斷。進一步具體的說，本實用新型在所述的單片機的控制下，一次AD轉(zhuǎn)換過程包括以 下四個階段第一階段為信號積分階段，單片機發(fā)出低電平RC信號控制模擬電子開關(guān)Κ4斷 開，同時發(fā)出高電平UNK信號控制模擬電子開關(guān)Kl導(dǎo)通，使被測信號Vi通過電阻Rl送入 積分器開始對電容器C進行充電，同時積分器輸出的OUT信號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，單片機不斷地檢測上、下限比較器送出的Hi、Li信 號，一旦發(fā)現(xiàn)積分器輸出的OUT信號低于上限值-VH就發(fā)出高電平FC信號控制模擬電子開 關(guān)K3導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號-Er通過電阻R3接入積分器對電容器C進行快速放電；第二階段為 快速基準(zhǔn)積分階段，單片機發(fā)出低電平UNK信號控制模擬電子開關(guān)Kl斷開，同時檢測積分 器輸出的OUT信號，如低于下限電平-VL，就送出高電平FC信號控制模擬電子開關(guān)K3導(dǎo)通， 將基準(zhǔn)信號-Er通過電阻R3接入積分器對電容器C進行快速放電，一旦積分器輸出的OUT 信號高于下限電平-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 段單片機送出高電平SC信號控制模擬電子開關(guān)K2導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號-Er通過電阻R2接入 積分器對電容器C進行慢速放電，直到積分器輸出的OUT信號大于零點；第四階段為調(diào)零階 段，單片機發(fā)出高電平RC信號控制模擬電子開關(guān)K4導(dǎo)通，將電阻R4接入運放的“-”端和 輸出端之間，對積分器進行自動調(diào)零，為下次轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備。更進一步的說，為了提高精確度，本實用新型所述的單片機利用內(nèi)部的定時器/ 計數(shù)器對FC信號的高電平時間進行累加測量并得到計數(shù)結(jié)果Ni，在慢速基準(zhǔn)積分階段單 片機對SC信號的高電平時間進行測量并得到計數(shù)結(jié)果N2，通過公式N = Κ_1+Ν2計算實際 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。本實用新型的有益效果是1、在信號采樣積分階段時刻監(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 間，又提高了 AD轉(zhuǎn)換器的分辯率；3、采用單片機直接控制，省去了外部計數(shù)器和可編程邏 輯器件，既簡化了電路，降低了成本，又使本實用新型更容易與相關(guān)AD測控系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的工作原理圖；圖2是本實用新型的工作時序圖；圖中1、積分信號控制電路；2、積分器；3、電平比較電路；4、單片機。
具體實施方式
現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的 示意圖，僅以示意方式說明本發(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的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，包括積分信號控制 電路1、積分器2、電平比較電路3及單片機4四部分，所述的積分信號控制電路1由電阻 Rl、R2、R3和R4以及模擬電子開關(guān)ΚΙ、K2、K3和K4構(gòu)成，被轉(zhuǎn)換電壓Vi與電阻Rl和模擬 電子開關(guān)Kl串聯(lián)后連接到運放的“_”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 運放的“_”輸入端；積分器2由運算放大器和電容C組成，電容C跨接在運放的“_”輸入端 與輸出端之間，運放的“ + ”端與地線相連，積分器2輸出的OUT信號經(jīng)過電阻R4和模擬電子開關(guān)K4串聯(lián)后也同樣連接到運放的“_”輸入端；電平比較電路3包括下限比較器、上限 比較器以及過零比較器三個高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過零比較器的三個 輸出信號分別與單片機的三個輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機4輸出的UNK、SC、FC以 及RC四個信號分別與四個模擬電子開關(guān)K1、K2、K3以及Κ4的受控端相連并控制它們的通 斷。如圖2所示，在單片機4的控制下，一次AD轉(zhuǎn)換過程通過以下四個階段完成第一階段為信號積分階段，單片機發(fā)出低電平RC信號控制模擬電子開關(guān)Κ4斷開， 同時發(fā)出高電平UNK信號控制模擬電子開關(guān)Kl導(dǎo)通，使被測信號Vi通過電阻Rl送入積分 器2開始對電容器C進行充電，同時積分器2輸出的OUT信號送入電平比較電路3與上限 電平-VH和下限電平-VL比較。在此階段，單片機不斷地檢測上、下限比較器送出的Hi、Li 信號，一旦發(fā)現(xiàn)積分器輸出的OUT信號低于上限值-VH就發(fā)出高電平FC信號控制模擬電子 開關(guān)K3導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號-Er通過電阻R3接入積分器2對電容器C進行快速放電，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。如單片機調(diào)整UNK信號的高電平時間為外界干擾(尤其是 工頻干擾)信號周期的整數(shù)倍時間，就可大幅度消除外界干擾信號對AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。第二階段為快速基準(zhǔn)積分階段，單片機發(fā)出低電平UNK信號控制模擬電子開關(guān)Kl 斷開，同時檢測積分器輸出的OUT信號，如低于下限電平-VL，就送出高電平FC信號控制模 擬電子開關(guān)K3導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號-Er通過電阻R3接入積分器2對電容器C進行快速放電， 一旦積分器輸出的OUT信號高于下限電平-VL后就斷開模擬電子開關(guān)K3。通過這種方法， 減少了 AD轉(zhuǎn)換時間。第三階段為慢速基準(zhǔn)積分階段，在此階段單片機送出高電平SC信號控制模擬電 子開關(guān)K2導(dǎo)通，將基準(zhǔn)信號-Er通過電阻R2接入積分器2對電容器C進行慢速放電，直到 積分器輸出的OUT信號大于零點。由于R2的阻值遠大于R3，使積分器輸出的OUT信號上升 過程較緩慢，便于單片機對該階段時間進行精確測量，從而提高了 AD轉(zhuǎn)換器的分辯率。第四階段為調(diào)零階段，單片機發(fā)出高電平RC信號控制模擬電子開關(guān)K4導(dǎo)通，將電 阻R4接入運放的“-”端和輸出端之間，對積分器進行自動調(diào)零，為下次轉(zhuǎn)換作準(zhǔn)備。需說明的是在上述的信號積分階段和快速基準(zhǔn)積分階段期間，單片機利用內(nèi)部 的計數(shù)器對FC信號的高電平時間進行累加測量，設(shè)單片機測量的計數(shù)值為m ；在慢速基準(zhǔn) 積分階段單片機對SC信號的高電平時間進行測量，設(shè)單片機測量的計數(shù)值為N2，則可以通 過公式N = K*N1+N2計算實際的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，通過適當(dāng)?shù)娜≈当ＷC此比例系數(shù)大等于100。由此可見本實用新型提供 的方法擴大了計數(shù)值的范圍，提高了分辯率，實際應(yīng)用中本實施例很容易就達到6位半分 辨率。特別要說明的是本實用新型使用單片機產(chǎn)生各種控制信號，并利用單片機內(nèi)部 的定時器/計數(shù)器實現(xiàn)對FC和SC信號的高電平進行時間測量，保證了測量過程的精確同 步，提高了 AD測量結(jié)果的穩(wěn)定性，既省去了外部計數(shù)器及可編程邏輯器件、簡化了電路、降 低了成本，又使本實用新型更容易與應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合。以上說明書中描述的只是本實用新型的具體實施方式
，各種舉例說明不對本實用新型的實質(zhì)內(nèi)容構(gòu)成限制，所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在閱讀了說明書后可以對以前所 述的具體實施方式
做修改或變形，而不背離發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求1. 一種基于單片機的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，包括積分信號控制電路(1)、積分 器O)、電平比較電路(3)及單片機⑷四部分，其特征在于所述的積分信號控制電路⑴ 由電阻Rl、R2、R3和R4以及模擬電子開關(guān)ΚΙ、K2、K3和K4構(gòu)成，被轉(zhuǎn)換電壓Vi與電阻Rl 和模擬電子開關(guān)Kl串聯(lián)后連接到運放的“_”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 連接到運放的“_”輸入端；積分器O)由運算放大器和電容C組成，電容C跨接在運放的 “_”輸入端與輸出端之間，運放的“ + ”端與地線相連，積分器(2)輸出的OUT信號經(jīng)過電阻 R4和模擬電子開關(guān)K4串聯(lián)后也同樣連接到運放的“_”輸入端；電平比較電路(3)包括下 限比較器、上限比較器以及過零比較器三個高速比較器，下限比較器、上限比較器以及過零 比較器的三個輸出信號分別與單片機(4)的三個輸入端Li、Hi以及Zi相連；單片機(4)輸 出的UNK、SC、FC以及RC四個信號分別與四個模擬電子開關(guān)K1、K2、K3以及Κ4的受控端相 連并控制它們的通斷。
專利摘要本實用新型涉及一種基于單片機的高精度快速積分型AD轉(zhuǎn)換器，它包括積分信號控制電路、積分器、電平比較電路及單片機四部分。積分信號控制電路由電阻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、上限比較器以及過零比較器等三個高速比較器；單片機輸出的UNK、SC、FC以及RC信號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。本實用新型采用單片機直接控制，省去了外部計數(shù)器和可編程邏輯器件，既簡化了電路，降低了成本，又使本實用新型更容易與AD應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合。
文檔編號H03M1/52GK201854268SQ201020239178
公開日2011年6月1日 申請日期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, 楊全會, 羅錦宏, 陳琳 申請人:房慧龍