基于单片机的双积分型A/D电路设计

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                    　　0 引言
　　A／D转换电路是数据采集系统中的重要部分，也是计算机应用系统中一种重要的功能接口。目前市场上有两种常用的A／D转换芯片，一类是逐次逼近式的，如AD1*，其特点是转换速度较高，功率较低。另一类是双积分式的，如ICL7135，其特点是转换精度高、抗干扰能力强。但高位数的A／D转换器价格相对较高。本文介绍的一种基于单片机的高精度、双积分型A／D转换电路，具有电路体积小、成本低、性价比高、结构简单、调试容易和工作可靠等特点，有很好的实际应用价值。
　　1 双积分式ADC基本原理
　　双积分式ADC的基本电路如图1所示，运放A 1、R、C用来组成积分器，运放A2作为比较器。电路先对未知的模拟输入电压U1进行固定时间T1的积分，然后转为对标准电压U0进行反向积分，直到积分输出返回起始值，反向积分时间为T0。如图2所示，输入电压U1越大，则反向积分时间越长。整个采样期间，积分电容C上的充电电荷等于放电电荷，因而有




　　2 实用双积分A／D转换电路






　　积分电路的输出信号作为比较器的输入信号与比较电压进行比较，当比较器输出翻转信号时，CPU计数器停止计数，从而获得零点参考电压的计数值，对这个数据进行处理计算后，完成A／D转换。
　　2)转换过程
　　为了给积分电路提供积分零点，在系统上电阶段，积分电路先接通GND，待比较器输出为低电平时，再对积分电路进行一段时间的放电，以使得积分电容零电荷。因此双积分电路的工作过程分为三个阶段：
　　(1)清零阶段：当比较器输出低电平时，积分电容上*了大量电荷，必须对其放电为后续的A／D转换提供精确的零起始点。即对U0进行定值积分，由





　　3)软件设计
　　单片机内部定时器T0分别控制对基准电压和模拟电压的定时积分，计数器T1用来记录反向积分时间，P1．0、P1．1、P1．2控制多路选择开关的通道，且单片机以查询方式检测比较器的输出电平。以上分析可知该系统A／D转换流程图如图5所示。






　　3 电路特点分析
　　由上述分析可知，模拟电压U大于基准电压U1时，在对模拟电压U定时积分后对零电平进行定值积分，波形图如图4所示。而当模拟电压U小于基准电压U1时，在对模拟电压U定时积分后应对U0进行定值积分，只需在软件设计上加以区别或提供负值的基准电压即可。本电路充分利用了单片机成本低廉、可靠性高的优势，主要元件仅仅为一个单片机89C5 1、一个多通道模拟开关CD4051、一个四运放LM324，因而结构简单，性价比高。实际应用表明，此双积分型A／D转换器的特点是工作性能稳定并且抗干扰能力比较强，但从原理分析可知，该电路存在固有的延迟，因此不适合采集连续快速变化的信号。
　　4 结束语
　　本设计电路保留了双积分A／D转换的主要特点，且整个电路构成的成本非常低廉。只要合理选择、调整电路参数，减少数据处理误差，就可以进一步提高转换精度和速度，且具有转换过程简单、转换精度高和成本低等突出的特点。因此在数据采集系统及其他应用系统中有很好的使用价值。
　　本文创新点：本文采用了多路选择开关CD4051实现了积分器输入变量的转换，单片机控制其通道的选择，完成了清零、积分、比较各环节，完成双积分A／D，此电路具有结构简单，成本低廉，稳定性好的特点。