MSCl21OY5的便攜式高分辨率電子溫度計

2 硬件設計
2．1 微處理器MSCl210Y5
MSC1210Y5是美國德州儀器公司(Texas Instru―ments)推出的集成數(shù)字／模擬混合信號的高性能芯片。芯片集成了大量的模擬和數(shù)字外圍模塊，具有很強的數(shù)據(jù)處理能力，對要求體積小、集成度高、運算速度快和精確測量的產(chǎn)品是理想的選擇。該芯片可廣泛用于智能傳感器、智能變送器、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、高精度測重裝置、液／氣色譜分析、便攜式儀器等領域。
MSC1210Y5具有很高的模擬和數(shù)字集成度。它內(nèi)部集成了一個24位的∑一△模／數(shù)轉換器(ADC)、8通道多路開關、模擬輸入通道測試電流源、輸入緩沖器、可編程增益放大器(PGA)、溫度傳感器、內(nèi)部基準電壓源、8位微控制器、程序／數(shù)據(jù)Flash存儲器和數(shù)據(jù)RAM等。
MSC1210Y5內(nèi)部集成的溫度傳感器，可以用來測量溫度。它的溫度測量原理基于公式：

temp=αxVolts-282.14 (1)

利用公式(1)可以把電壓轉換為攝氏溫度。Volts為ADC測得的電壓，α為實驗測定的系數(shù)，等于2 664．7。
MSC1210Y5內(nèi)部集成的24位分辨率的∑一△模／數(shù)轉換器部分由模擬多路開關(MUX)、可選擇緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、基準電壓源、二階∑一△調(diào)制器和數(shù)字濾波器等組成。用戶通過控制相應的特殊功能寄存器位就可以控制模／數(shù)轉換器的所有功能，也可以根據(jù)需要將其關閉以降低功耗。
在高精度的測量中，往往對分辨率的要求比較高(16位以上)，而傳統(tǒng)的Nyquist型ADC(如積分型、逐次比較型、閃爍型等)將面臨一系列嚴重的問題，例如需要復雜的高階模擬混疊濾波器、定時及幅度誤差都極小的采樣保持電路等，實現(xiàn)起來困難極大，成本很高。而近年來興起的∑一△型A／D轉換器卻能以較低的成本獲得極高的分辨率(16位以上)；同時，由于∑一△型ADC主要使用了數(shù)字技術，除具有數(shù)字系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)點以外，還具有線性度好、抗干擾能力強、成本低廉等特點。另外，由于∑一△型ADC采用了過采樣技術，不需要抗混疊濾波器，有的還可以直接接收來自傳感器的微弱信號，從而節(jié)省了信號放大和調(diào)整電路。正是由于∑一△型ADC具有這么多優(yōu)點，因此它在高精度測量中得到了廣泛的應用。
∑一△型ADC由兩部分構成：第一部分為模擬∑一△調(diào)制器，它是∑一△型A／D轉換器的核心；第二部分為數(shù)字抽取濾波器。圖2給出了∑一△型ADC的組成框圖。

圖3為∑一△調(diào)制器簡化原理框圖。MSC1210Y5的調(diào)制器是一個單回路二階調(diào)制器。調(diào)制器的時鐘頻率(即模擬信號采樣頻率)fMOD是從晶振頻率中分頻得到的。其分頻倍數(shù)可以通過模擬時鐘寄存器(ACLK)的FREQ4～O設置，計算公式如下：

fMOD=[晶振頻率/（FREQ+1）]/64
這樣當晶振頻率為11．059 2 MHz時，如果FREQ=8，那么模擬信號采樣頻率為19 200 Hz。
數(shù)據(jù)輸出速率可由下面的公式得出：
數(shù)據(jù)輸出速率一模擬采樣頻率／抽取因子
抽取因子可以通過寄存器ADCON2和ADCON3設
置。如果ADCON2和ADCON3的設定值為1 920，那么采樣數(shù)據(jù)的輸出率為19 200 Hz／1 920=10 Hz。由于抽取因子比較高，故抗噪聲性能增強。
MSC1210Y5的ADC有3種數(shù)字濾波器――快速穩(wěn)定濾波器、Sinc2濾波器和Sinc3濾波器，用戶可以通過ADC控制寄存器1(ADCON1)的SMl～SM0(ADCON1．5～4)位來選擇一種具有不同穩(wěn)定模式的數(shù)字濾波器?？焖贋V波器、Sinc2濾波器和Sinc3濾波器的建立時間分別為l、2、3個轉換周期，因此當輸入通道或PGA的值改變時，通常不會同步輸出數(shù)據(jù)，而要等待幾個轉換周期才能得到正確的轉換結果，因此它們的前1、2、3個采樣結果必須丟棄。
為了降低器件和系統(tǒng)的偏移誤差和增益誤差，往往需要采用校準的方法。MSC1210Y5的ADC提供了5種不同的校準模式。用戶可以通過ADCONl寄存器的CAL2～O位來選擇校準模式。
ADC轉換的時候，可能引入的噪聲很多：熱噪聲、散粒噪聲、電源電壓變化、基準電壓變化、由采樣時鐘抖動引起的相位噪聲以及由量化誤差引起的噪聲。這些噪聲源的噪聲功率都是可以改變的。很多技術都可以用來減小噪聲，比如改進電路板設計或是在基準電壓信號線上加旁路電容。但是ADC總是存在量化噪聲，所以一個給定位數(shù)的數(shù)據(jù)A／D轉換器的最大SNR由量化噪聲(不使用過采樣技術時)定義。在正確的條件下，過采樣會減小噪聲并改善SNR，這將有效地提高測量分辨率的位數(shù)。
對于白噪聲的情況，采用過采樣可以改善信噪比，但是它是以增加CPU的時間和降低數(shù)據(jù)通過率為代價的。因為在本系統(tǒng)的CPU完全為溫度采集服務，并且對實時性要求并非苛刻，所以可以采用過采樣的方法來提高精度，并在一定程度上提高溫度計的抗干擾能力。MSC1210Y5與ADC相關的特殊功能寄存器(SFR)如表1所列。