單片機(jī)內(nèi)部模擬比較器的應(yīng)用

一般來說，內(nèi)部帶A／D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)價(jià)格都比較昂貴，而且一般只有8到10位的分辨率，這在高分辨率要求的場合顯然不適用；而普通的單片機(jī)則根本沒有 A／D轉(zhuǎn)換器。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些體積小、內(nèi)含模擬比較器的單片機(jī)，如ATMAL的AT89C2051、ZILOG的Z86E04、 MICROCHIP的PIC16C620等，這些單片機(jī)在使用時(shí)連接比較器的端口一般只作普通I／O使用，而對其內(nèi)置的模擬比較器的應(yīng)用卻很少。下面以 AT89C2051為例，談?wù)劺脝纹瑱C(jī)內(nèi)置模擬比較器來構(gòu)成A／D轉(zhuǎn)換器的新方法。

1 硬件轉(zhuǎn)換電路

AT89C2051 是MCS51單片機(jī)系列中的一種，它雖然只有20個(gè)引腳，卻集成了51系列單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，其中包括2k程序存儲(chǔ)器、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)全雙工UART和一個(gè)精確的模擬比較器，而這個(gè)模擬比較器是以前產(chǎn)品所沒有的。圖1是利用AT89C2051的模擬比較器來構(gòu)成雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖。其中：內(nèi)置模擬比較器的結(jié)構(gòu)如圖中虛線包圍部分所示，比較器的正、反相輸入端分別與P1．0、P1．1連接，這是兩個(gè)漏極開路無上拉電阻的輸出和輸入端口，當(dāng)向P1．0、P1．1寫“1”時(shí)，M1、M2截止，相當(dāng)于P1．0、P1．1對數(shù)字部分懸空，這時(shí)比較器的輸入不受單片機(jī)端口輸出的影響；由于P1．0、P1．1具有很強(qiáng)的灌電流能力，當(dāng)寫入“0”時(shí)，P1．0、P1．1能吸入20mA的灌電流，而且M1、M2的飽和電壓很低，利用這一特點(diǎn)可為積分電容徹底放電。比較器輸出端在單片機(jī)內(nèi)部與P3．6連接，讀P3．6就可得到比較器的輸出結(jié)果。因此，利用 AT89C2051這個(gè)內(nèi)置的比較器，再加上少量的外圍器件就可組成雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器。圖1中，I0為恒流源，其電流約為0．5～2mA，Cf是積分電容，Cf與I0的選擇取決于A／D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，Vref為參考電壓，一般取模擬輸入電壓最大值的一半，U2是一個(gè)模擬開關(guān)，其中通道0接參考電壓，通道1至7接模擬輸入，即該A／D轉(zhuǎn)換器有7個(gè)輸入通道。

2 轉(zhuǎn)換過程

當(dāng)恒流源對電容器積分時(shí)，積分電容上的電壓與時(shí)間成線性比例關(guān)系，這樣利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器就可分別測量參考電壓及模擬輸入電壓的積分時(shí)間，再通過 CPU的運(yùn)算來得到轉(zhuǎn)換的結(jié)果。單片機(jī)的端口P1．2至P1．4可用來輸出模擬開關(guān)通道選擇地址，定時(shí)計(jì)數(shù)器T0可設(shè)定為方式1，16 位定時(shí)狀態(tài)，用來測定積分時(shí)間。該轉(zhuǎn)換過程可分5個(gè)步驟：

第一步為積分電容的放電，主要是向P1．1寫“0”，利用其吸入灌電流大的特點(diǎn)為Cf放電，同時(shí)定時(shí)計(jì)數(shù)器T0清零。

第二步是參考電壓積分，即模擬開關(guān)選擇通道0，相當(dāng)于Vref接至比較器的正輸入端，并向P1．1寫“1”，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器，這樣，I0開始對Cf積分；程序循環(huán)讀P3．6狀態(tài)，以檢測比較器的輸出結(jié)果，當(dāng)積分電容上的積分電壓稍大于（由于比較器有極高的增益，故可近似地看作等于）參考電壓時(shí)，比較器的輸出反轉(zhuǎn)，P3．6發(fā)生由高至低的跳變。程序檢測到這個(gè)跳變后，停止定時(shí)計(jì)數(shù)器，保存此時(shí)的定時(shí)計(jì)數(shù)器結(jié)果Tref，此時(shí)可由恒流源對電容積分的關(guān)系式得出：Vref＝（I0 Tref）／Cf

第三步為積分電容放電，也就是重復(fù)第一步對Cf放電和定時(shí)計(jì)數(shù)器T0清零。

第四步為輸入電壓積分，此時(shí)模擬開關(guān)可選擇通道1～7中的一個(gè)，相當(dāng)于模擬輸入電壓Vx接至比較器的正輸入端，重復(fù)第二步對輸入電壓積分，則可得到積分時(shí)間Tx，因此，Vx＝（I0Tx）／Cf

以上4步積分電容Cf上的積分電壓波形如圖2所示。

第五步是通過CPU的運(yùn)算來求得A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，由第二步結(jié)果除以第四步結(jié)果，可以得到：
    Vref／Vx＝Tref／Tx

變換后得：
    Vx＝（VrefTx）／Tref

上式即A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

從上式可以看出：A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果Vx只與Vref、Tx、Tref有關(guān)而與I0、Cf無關(guān)。這一點(diǎn)非常重要。因?yàn)樗馕吨谵D(zhuǎn)換過程中抑制了恒流源和積分電容溫漂所造成的誤差，從而保證了該A／D轉(zhuǎn)換器工作的穩(wěn)定性，這也正是積分式A／D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。理論上，該A／D轉(zhuǎn)換器的精度只取決于參考電壓的穩(wěn)定性和單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器的精確度，而這兩點(diǎn)都相對比較容易保證。當(dāng)然，這是指在恒流源為理想恒流源的情況，實(shí)際上恒流源的特性決定了該A／D轉(zhuǎn)換器的非線性誤差，因此，在要求較高的場合，應(yīng)選用線性好的恒流源集成電路，如LM334等，而在要求不高的情況下則可用圖3所示的由分立元件組成的恒流源電路來實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換。這時(shí)積分電容可選擇溫度系數(shù)較小的滌綸電容等。

需要注意的是，由于單片機(jī)采用端口查詢的方式來檢測比較器的輸出結(jié)果，MCS51系列單片機(jī)端口查詢命令需要占用2個(gè)機(jī)器周期，而定時(shí)計(jì)數(shù)器則需要在每個(gè)機(jī)器周期上加1。因此，在使用時(shí)有可能在比較器的輸出反轉(zhuǎn)時(shí)，程序不能立刻停止定時(shí)計(jì)數(shù)器，而是要等到下一個(gè)機(jī)器周期運(yùn)行到CLRTR0語句時(shí)才停止。這樣，定時(shí)計(jì)數(shù)器的值總為偶數(shù)，這一問題如果不在程序中進(jìn)行處理就會(huì)造成誤差。解決的方法是增加I0、Cf的積分時(shí)間，即把積分時(shí)間加大一倍，再把定時(shí)計(jì)數(shù)器的讀數(shù)即Tref和Tx除以2，這樣就能把定時(shí)計(jì)數(shù)器多加了1的誤差去掉而得到正確的結(jié)果。也就是說，如果要得到12位的分辨率，那么就需要有13位的定時(shí)計(jì)數(shù)器的讀數(shù)。這種算法雖然犧牲了定時(shí)計(jì)數(shù)器的1位分辨率，加長了轉(zhuǎn)換周期，但是確保了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于有模擬比較器輸出跳變中斷的單片機(jī)如Z86E08等，上述過程處理起來會(huì)更簡單，可用程序在比較器輸出反轉(zhuǎn)時(shí)來設(shè)定中斷，并在中斷子程序的開始時(shí)停止定時(shí)計(jì)數(shù)器，其讀數(shù)減去從比較器中斷到執(zhí)行中斷子程序之間的機(jī)器周期數(shù)即為實(shí)際積分時(shí)間。

由于AT89C2051的定時(shí)計(jì)數(shù)器為16位，所以該A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率實(shí)際上可以達(dá)到15位。調(diào)整I0和Cf的值就能改變A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率，I0和Cf的取值與分辨率和單片機(jī)時(shí)鐘頻率之間的關(guān)系，應(yīng)滿足下式：

12×2N＋1／（f0 Vmax）≤Cf／IO≤12×216／（f0Vmax）

式中Vmax 為最大模擬輸入電壓，N為分辨率位數(shù)，f0為單片機(jī)的時(shí)鐘頻率。根據(jù)上式，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證足夠長的積分時(shí)間以保證分辯率的要求。同時(shí)還應(yīng)保證積分時(shí)間不能超過單片機(jī)的最大定時(shí)值，以免引起定時(shí)計(jì)數(shù)器的溢出。

3 軟件編程

整個(gè)工作過程的主要程序如下（該程序采用MCS51匯編語言編寫）。除法子程序和20μs延時(shí)子程序分別為：

（1）初始化主程序：

4 結(jié)束語

上述所述，采用內(nèi)部帶模擬比較器的單片機(jī)加上少量的外國元件，并在程序上稍作處理，就能夠構(gòu)成一種新的A/D轉(zhuǎn)換器，該方法可節(jié)約因擴(kuò)展A/D而占用的大量I/O，而且這種A/D轉(zhuǎn)換器能達(dá)到很高的分辯率和精度，并且有抗干擾能力強(qiáng)、分辯率可由程序調(diào)整的特點(diǎn)，從而增加了單片機(jī)的應(yīng)用范圍和使用靈活性，同時(shí)就應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也顯得簡潔和不效。

參考文獻(xiàn)
1.AT89 系列單片機(jī)。愛迪爾電子有限公司
2.Discrete Z8 Microcontrollers Databook.Zilong,Inc