單片機(jī)內(nèi)部模擬比較器的應(yīng)用

1、單片機(jī)內(nèi)部模擬比較器的應(yīng)用        摘要：文章介紹了一種利用單片機(jī)內(nèi)部模擬比較器來構(gòu)成AD轉(zhuǎn)換器的方法，給出了它的具體電路設(shè)計(jì)，分析了電路原理、轉(zhuǎn)換過程及誤差原因。并提出了轉(zhuǎn)換過程中的誤差消除的實(shí)用辦法。最后給出了整個工作過程的軟件編程。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；比較器；AD轉(zhuǎn)換器；定時計(jì)數(shù)器；恒流源     一般來說，內(nèi)部帶AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)價格都比較昂貴，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AD轉(zhuǎn)換器。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了

2、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)在使用時連接比較器的端口一般只作普通IO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AD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程序存儲器、128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、2個16位定時計(jì)數(shù)器、一個標(biāo)準(zhǔn)全雙工UART和一個精確的模擬比較器，而這個模擬比較器是以前產(chǎn)

3、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AD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P10、P11連接，這是兩個漏極開路無上拉電阻的輸出和輸入端口，當(dāng)向P10、P11寫“1”時，M1、M2截止，相當(dāng)于P10、P11對數(shù)字部分懸空，這時比較器的輸入不受單片機(jī)端口輸出的影響；由于P10、P11具有很強(qiáng)的灌電流能力，當(dāng)寫入“0”時，P10、P11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P36連接，讀P36就可得到比較器的輸出結(jié)果。因此，利用AT

4、89C2051這個內(nèi)置的比較器，再加上少量的外圍器件就可組成雙積分式AD轉(zhuǎn)換器。圖1中，I0為恒流源，其電流約為052mA，Cf是積分電容，Cf與I0的選擇取決于AD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AD轉(zhuǎn)換器有7個輸入通道。2 轉(zhuǎn)換過程   當(dāng)恒流源對電容器積分時，積分電容上的電壓與時間成線性比例關(guān)系，這樣利用單片機(jī)內(nèi)部的定時計(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P12至P14可用來輸出模擬開關(guān)通道選擇地址，定時計(jì)

5、數(shù)器T0可設(shè)定為方式1，16位定時狀態(tài)，用來測定積分時間。該轉(zhuǎn)換過程可分5個步驟：    第一步為積分電容的放電，主要是向P11寫“0”，利用其吸入灌電流大的特點(diǎn)為Cf放電，同時定時計(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P11寫“1”，同時啟動定時計(jì)數(shù)器，這樣，I0開始對Cf積分；程序循環(huán)讀P36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，比較器的輸出反轉(zhuǎn)，P36發(fā)生由高至低的跳變。程序檢測到這

6、個跳變后，停止定時計(jì)數(shù)器，保存此時的定時計(jì)數(shù)器結(jié)果Tref，此時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放電和定時計(jì)數(shù)器T0清零。    第四步為輸入電壓積分，此時模擬開關(guān)可選擇通道17中的一個，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AD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： 

7、60;  VrefVxTrefTx    變換后得：    Vx（VrefTx）Tref    上式即AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果。    從上式可以看出：AD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AD轉(zhuǎn)換器工作的穩(wěn)定性，這也正是積分式AD轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。理論上，該AD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，

8、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AD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)AD轉(zhuǎn)換。這時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個機(jī)器周期，而定時計(jì)數(shù)器則需要在每個機(jī)器周期上加1。因此，在使用時有可能在比較器的輸出反轉(zhuǎn)時，程序不能立刻停止定時計(jì)數(shù)器，而是要等到下一個機(jī)器周期運(yùn)行到CLRTR0語句時才停止。

9、這樣，定時計(jì)數(shù)器的值總為偶數(shù)，這一問題如果不在程序中進(jìn)行處理就會造成誤差。解決的方法是增加I0、Cf的積分時間，即把積分時間加大一倍，再把定時計(jì)數(shù)器的讀數(shù)即Tref和Tx除以2，這樣就能把定時計(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位的定時計(jì)數(shù)器的讀數(shù)。這種算法雖然犧牲了定時計(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更簡單，可用程序在比較器輸出反轉(zhuǎn)時來設(shè)定中斷，并在中斷子程序的開始時停止定時計(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

10、期數(shù)即為實(shí)際積分時間。    由于AT89C2051的定時計(jì)數(shù)器為16位，所以該AD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AD轉(zhuǎn)換器的分辨率，I0和Cf的取值與分辨率和單片機(jī)時鐘頻率之間的關(guān)系，應(yīng)滿足下式：12×2N1（f0 Vmax）CfIO12×216（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)的時鐘頻率。根據(jù)上式，在設(shè)計(jì)時應(yīng)保證足夠長的積分時間以保證分辯率的要求。同時還應(yīng)保證積分時間不能超過單片機(jī)的最大定時值，以免引起定時計(jì)數(shù)器的溢出。3 軟件編程  整個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20s延時子程序分別為：   （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