MSCl21OY5的便攜式高分辨率電子溫度計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)
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(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，對要求體積小、集成度高、運(yùn)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(lǐng)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(gè)24位的∑一△模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、8通道多路開關(guān)、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(zhǔn)電壓源、8位微控制器、程序／數(shù)據(jù)Flash存儲(chǔ)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(zhuǎn)換為攝氏溫度。Volts為ADC測得的電壓，α為實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)換器部分由模擬多路開關(guān)(MUX)、可選擇緩沖器(BUF)、可編程增益放大器(PGA)、基準(zhǔn)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(yīng)的特殊功能寄存器位就可以控制模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的所有功能，也可以根據(jù)需要將其關(guān)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(yán)重的問題，例如需要復(fù)雜的高階模擬混疊濾波器、定時(shí)及幅度誤差都極小的采樣保持電路等，實(shí)現(xiàn)起來困難極大，成本很高。而近年來興起的∑一△型A／D轉(zhuǎn)換器卻能以較低的成本獲得極高的分辨率(16位以上)；同時(shí)，由于∑一△型ADC主要使用了數(shù)字技術(shù)，除具有數(shù)字系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)以外，還具有線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn)。另外，由于∑一△型ADC采用了過采樣技術(shù)，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(diǎn)，因此它在高精度測量中得到了廣泛的應(yīng)用。
∑一△型ADC由兩部分構(gòu)成：第一部分為模擬∑一△調(diào)制器，它是∑一△型A／D轉(zhuǎn)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(gè)單回路二階調(diào)制器。調(diào)制器的時(shí)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(shí)鐘寄存器(ACLK)的FREQ4～O設(shè)置，計(jì)算公式如下：

fMOD=[晶振頻率/（FREQ+1）]/64
這樣當(dāng)晶振頻率為11．059 2 MHz時(shí)，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(shè)
置。如果ADCON2和ADCON3的設(shè)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(qiáng)。
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(shí)間分別為l、2、3個(gè)轉(zhuǎn)換周期，因此當(dāng)輸入通道或PGA的值改變時(shí)，通常不會(huì)同步輸出數(shù)據(jù)，而要等待幾個(gè)轉(zhuǎn)換周期才能得到正確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此它們的前1、2、3個(gè)采樣結(jié)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(zhǔn)的方法。MSC1210Y5的ADC提供了5種不同的校準(zhǔn)模式。用戶可以通過ADCONl寄存器的CAL2～O位來選擇校準(zhǔn)模式。
ADC轉(zhuǎn)換的時(shí)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(zhǔn)電壓變化、由采樣時(shí)鐘抖動(dòng)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(shù)都可以用來減小噪聲，比如改進(jìn)電路板設(shè)計(jì)或是在基準(zhǔn)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(gè)給定位數(shù)的數(shù)據(jù)A／D轉(zhuǎn)換器的最大SNR由量化噪聲(不使用過采樣技術(shù)時(shí))定義。在正確的條件下，過采樣會(huì)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(shí)間和降低數(shù)據(jù)通過率為代價(jià)的。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)的CPU完全為溫度采集服務(wù)，并且對實(shí)時(shí)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(jì)的抗干擾能力。MSC1210Y5與ADC相關(guān)的特殊功能寄存器(SFR)如表1所列。