用比较器进行高精度模数转换

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1、一种高精度单斜率AD及其单片机实现摘要：介绍了一种利用MSP430F1121单片机构成的采用类似于Σ-Δ技术的高精度的单斜率AD。分析了工作原理和参数计算。提供了分辨率，精度，线性度，稳定性等性能的测试结果，并讨论了它们的影响因素和应用。关键词：MSP430单片机单斜率AD一引言AD转换最常用的方法是逐次逼近法（SAR），转换时间固定且快速是其最大特点，但要明显提高分辩率有一定困难。积分型AD有较强的抗干扰能力，但转换时间较长。而过采样Σ-ΔA/D由于其高分辩率，高线性度及低成本的特点正得到越来

2、越多的应用。TI公司的MSP430F1121单片机内带有一个模拟比较器，因此，只须外接一只电阻和电容即可构成一个类似于Σ-Δ技术的高精度单斜率AD。图2-1测量电路图二测量电路及过程MSP430于F1121是16位RISC结构的FLASH型单片机。有14个双向I/O口并兼有中断功能。一个16位定时器，兼有计数和定时功能。一个模拟电压比较器。测量电路如图2-1所示。MSP430F1121工作电压为1.8-3.6V。I/O口输出高电平时电压接近Vcc，低电平时接近Vss，因此，一个I/O口可以看作一

3、位DAC，具有PWM功能。测量时P2.4引脚接被测电压。P2.0口输出一串占空比为50%，脉宽为Tp的脉冲。当电容充电到Vout=Vin时，比较器输出将翻转，这一过程称为预充电。此后为维持Vout=Vin，P2.0继续输出脉冲。程序开始对总的输出脉冲数N和输出为高的脉冲数n进行计数。P2.0口根据比较器的输出状态来决定是输出高还是低电平，如果比较器输出为低，表示Vout

4、里为3.0V）对应于N（这里为3000）个脉冲，如果n为1500，则Vin=1/2Vcc，即Vin为1.5V，相应地，每个高脉冲代表1mV，这样可以用于比例式测量和绝对值测量。三原理分析经预充电后，Vout=Vin，此后P2.0在电容C上反复充放电，虽然电容充放电是非线性的，但由于充放电幅度极小，只要满足RC>>Tp，则在一定精度内可以认为充放电过程是线性的。其波形如图3-1。图3-1电容充放电过程示意图图中虚线表示总的脉冲，实线是输出为高的脉冲，如果把相邻的高电平和相邻的低电平看成为一个脉冲，

5、分别为TH1，TL1，TH2，TL2…虽然TH1=TH2=…和TL1=TL2=…不一定成立，但从总体效果来看，可以认为它们是等宽的。那么，n个高电平和N-n个低电平成了m个大脉冲。其中，TH=n/m*Tp,TL=(N-n)*Tp/m.充电时，Vmax=Vcc+[Umin-Vcc]*exp（-TH/RC）放电时，Umin=Umax*exp（-TL/RC）由上两式得：Umax（1-exp（-（TH+TL）/RC）=Vcc（1-exp（-TH/RC））在一定的误差范围内有Umax=Vin，则：Vin（

6、1-exp（-（TH+TL）/RC）=Vcc（1-exp（-TL/RC））在（TH+TL）/T<<1时，指数项用泰勒级数展开后，得：Vin*N/m=VCC*n/m即Vin=n*VCC/N五参数计算用Umax分别减去式2等式两边得：DU=Umax-Umin=Umax（1-exp（-TL/RC））<

7、16取R=470K，则C=0.035uF六软件设计测量子程序框图如图6-1所示。P2.0输出的脉冲宽度由程序中输出高或低电平的运行时间决定，因此应尽量缩短这段程序的执行时间，另外，P2.0输出必须为对称的方波，如果程序中输出为高或为低的时间不一样，将会造成很大的误差。程序中必须先设定一个总的采样时间N，它也决定了分辨率，执行一次测量子程序只运行N/2的时间，因此，必须调用两次，把两次的高电平个数相加才为n。这样做的目的是为了利用MSP430F1121单片机的模拟比较器特性，即在一次测量子程序调用

8、后，内部交换同向和反向输入端的端口，以抵消比较器的输入偏置电压引起的误差。七分辩率，精度，稳定性，线性度及影响因素分辩率：由预设的总测量时间N来决定，如果N取4096（214BIT），则分辩率为14位，如果N取65535，则分辩率为16位。分辩率的大小将影响测量时间，从而影响采样频率。在主频为3.578545Hz时，一个Tp（即P20口输出一个高或低电平）的时间为14个CPU周期，约为1/3578545=3.9us,则N=4096时一次测量的时间为16ms,如果N=65535，则一次测量的时间为