一種單片機(jī)雙極模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)

通常A/D轉(zhuǎn)換都需使用A/D轉(zhuǎn)換芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，MC9S12XS128MAL是飛思卡爾公司HCS12系列16位單片機(jī)中的一種，它有8 kB的RAM、128 kB的片內(nèi)閃存(Flash EEPROM)、2 kB的電可擦寫(xiě)可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)及多種功能的接口，MC9S12XS128內(nèi)置的A/D模塊是16通道、12位精度、多路輸入復(fù)用、逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，故可省去使用A/D轉(zhuǎn)換芯片而設(shè)計(jì)的硬件電路，可降低成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。但單片機(jī)的模擬輸入端只能接受單極正向模擬信號(hào)，不能直接進(jìn)行雙極模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，為此必須把雙極模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極正向模擬信號(hào)。在一般的設(shè)計(jì)中，常常要把形如-ui-+ui的雙極型模擬信號(hào)通過(guò)電位平移電路轉(zhuǎn)換成0～5 V單極信號(hào)，而這種平移電路會(huì)使得A/D轉(zhuǎn)換的精度降低一倍，而且穩(wěn)定性也降低。而文中采用對(duì)稱電路設(shè)計(jì)，使得單片機(jī)可接收的A/D信號(hào)由0～5 V擴(kuò)大到-5～+5 V，A/D轉(zhuǎn)換的量程擴(kuò)大了1倍，穩(wěn)定性也大幅提高。

　　1、電路設(shè)計(jì)

　　圖1 總體電路示意圖

　　1.1 設(shè)計(jì)原理

　　當(dāng)輸入的信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，若信號(hào)為正，則二極管1截止，信號(hào)無(wú)損失地從AD0口輸入，同時(shí)正的信號(hào)經(jīng)反相器反相后變成負(fù)的信號(hào)，二極管2導(dǎo)通，所以AD1口接收到的信號(hào)為二極管2的正向?qū)▔航档呢?fù)值，只要這個(gè)負(fù)值電壓的幅度小于A/D口輸入的允許值，則由此口采集的A/D值就為0，因此在這種情況下的A/D值就是AD0口的值;

　　反之，當(dāng)輸入的信號(hào)為負(fù)值時(shí)，二極管1導(dǎo)通，AD0口接收的數(shù)據(jù)為0，而經(jīng)反相器反相后的信號(hào)為正，二極管2截止，AD1口接收數(shù)據(jù)。

　　若AD=AD0-AD1，當(dāng)信號(hào)為正時(shí)，AD=AD0-0，為正;當(dāng)信號(hào)為負(fù)時(shí)，AD=0-AD1，為負(fù)。此時(shí)，AD可接收的數(shù)據(jù)由原來(lái)的0～5 V擴(kuò)展為-5～+5 V。

　　1.2 二極管的選擇

　　若從線性度考慮，應(yīng)該選擇正向壓降高的二極管，例如1 N4007。但1N4007的正向壓降約為0.7 V，當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，對(duì)應(yīng)的A/D口所接收到的信號(hào)為-0.7 V，這會(huì)燒毀單片機(jī)，所以從安全性考慮應(yīng)該選擇壓降較低的二極管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。PMEG2010的壓降約為0.1 V，1N60的壓降約為0.2～0.3 V，均能保護(hù)好單片機(jī)不被燒壞。在安全性的前提下，分別測(cè)量數(shù)據(jù)分析二極管的線性度。

　　2、實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

　　2.1 PMEG2010

　　文中以某種信號(hào)為輸入信號(hào)，測(cè)量輸出信號(hào)和輸入信號(hào)是否成線性關(guān)系。

　　表1是二極管為PMEG2010是測(cè)得的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)擬合后可得到二極管為PMEG2010時(shí)所得曲線，如圖2所示。

　　表1 二極管為PMEG2010時(shí)的輸入與輸出值

　　圖2 二極管為PMEG2010時(shí)所得曲線

　　由圖2所示，在零點(diǎn)附近輸入與輸出之間呈明顯的非線性關(guān)系。原因是PMEG2010的反相漏電流過(guò)大，且漏電流大小與輸入信號(hào)的大小之間也呈非線性關(guān)系，所以測(cè)得的數(shù)據(jù)與輸入值之間呈非線性。

　　2.2 1N60

　　當(dāng)把PMEG2010換成1N60后，再次測(cè)得一組數(shù)據(jù)，并分析其線性相關(guān)性。

　　表2 二極管為1N60時(shí)的輸入與輸出值

　　將上述所測(cè)得數(shù)據(jù)擬合后得到圖3所示。

　　圖2 二極管為1N60時(shí)所得測(cè)得的曲線

　　圖3是擬合后的曲線，由圖可看出輸入值和輸出值之間呈較好的線性關(guān)系，擬合曲線的方程為y=0.049 421 335 942 257 8+2.261 803 178 235 24×x，相關(guān)系數(shù)為R=0.999 72，可滿足一般的測(cè)量需要。

　　3、結(jié)束語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證以及參考相關(guān)資料文獻(xiàn)，可得出以下結(jié)論：(1)本電路設(shè)計(jì)能有效地解決單片機(jī)接收單極信號(hào)和雙極信號(hào)的關(guān)系，使得單片機(jī)可接收并處理雙極信號(hào)。(2)通過(guò)對(duì)稱電路的設(shè)計(jì)，使得A/D可接收的信號(hào)由原來(lái)的0～5 V變?yōu)?5～+5 V，有效地?cái)U(kuò)大了A/D的量程。(3)當(dāng)二極管選用得合適，能夠保證數(shù)據(jù)的線性關(guān)系。(4)設(shè)計(jì)使用單片機(jī)內(nèi)置的A/D模塊，節(jié)省了A/D芯片的使用，使得設(shè)計(jì)成本降低。