一種單片機雙極模擬信號A/D轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計
通常A/D轉(zhuǎn)換都需使用A/D轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn),MC9S12XS128MAL是飛思卡爾公司HCS12系列16位單片機中的一種,它有8 kB的RAM、128 kB的片內(nèi)閃存(Flash EEPROM)、2 kB的電可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)及多種功能的接口,MC9S12XS128內(nèi)置的A/D模塊是16通道、12位精度、多路輸入復(fù)用、逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,故可省去使用A/D轉(zhuǎn)換芯片而設(shè)計的硬件電路,可降低成本,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。但單片機的模擬輸入端只能接受單極正向模擬信號,不能直接進行雙極模擬信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換,為此必須把雙極模擬信號轉(zhuǎn)換成單極正向模擬信號。在一般的設(shè)計中,常常要把形如-ui-+ui的雙極型模擬信號通過電位平移電路轉(zhuǎn)換成0~5 V單極信號,而這種平移電路會使得A/D轉(zhuǎn)換的精度降低一倍,而且穩(wěn)定性也降低。而文中采用對稱電路設(shè)計,使得單片機可接收的A/D信號由0~5 V擴大到-5~+5 V,A/D轉(zhuǎn)換的量程擴大了1倍,穩(wěn)定性也大幅提高。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201611/340131.htm1、電路設(shè)計
圖1 總體電路示意圖
1.1 設(shè)計原理
當輸入的信號經(jīng)放大電路放大后,若信號為正,則二極管1截止,信號無損失地從AD0口輸入,同時正的信號經(jīng)反相器反相后變成負的信號,二極管2導(dǎo)通,所以AD1口接收到的信號為二極管2的正向?qū)▔航档呢撝?,只要這個負值電壓的幅度小于A/D口輸入的允許值,則由此口采集的A/D值就為0,因此在這種情況下的A/D值就是AD0口的值;
反之,當輸入的信號為負值時,二極管1導(dǎo)通,AD0口接收的數(shù)據(jù)為0,而經(jīng)反相器反相后的信號為正,二極管2截止,AD1口接收數(shù)據(jù)。
若AD=AD0-AD1,當信號為正時,AD=AD0-0,為正;當信號為負時,AD=0-AD1,為負。此時,AD可接收的數(shù)據(jù)由原來的0~5 V擴展為-5~+5 V。
1.2 二極管的選擇
若從線性度考慮,應(yīng)該選擇正向壓降高的二極管,例如1 N4007。但1N4007的正向壓降約為0.7 V,當二極管導(dǎo)通時,對應(yīng)的A/D口所接收到的信號為-0.7 V,這會燒毀單片機,所以從安全性考慮應(yīng)該選擇壓降較低的二極管進行實驗。PMEG2010的壓降約為0.1 V,1N60的壓降約為0.2~0.3 V,均能保護好單片機不被燒壞。在安全性的前提下,分別測量數(shù)據(jù)分析二極管的線性度。
2、實驗與結(jié)論
2.1 PMEG2010
文中以某種信號為輸入信號,測量輸出信號和輸入信號是否成線性關(guān)系。
表1是二極管為PMEG2010是測得的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)擬合后可得到二極管為PMEG2010時所得曲線,如圖2所示。
表1 二極管為PMEG2010時的輸入與輸出值
圖2 二極管為PMEG2010時所得曲線
由圖2所示,在零點附近輸入與輸出之間呈明顯的非線性關(guān)系。原因是PMEG2010的反相漏電流過大,且漏電流大小與輸入信號的大小之間也呈非線性關(guān)系,所以測得的數(shù)據(jù)與輸入值之間呈非線性。
2.2 1N60
當把PMEG2010換成1N60后,再次測得一組數(shù)據(jù),并分析其線性相關(guān)性。
表2 二極管為1N60時的輸入與輸出值
將上述所測得數(shù)據(jù)擬合后得到圖3所示。
圖2 二極管為1N60時所得測得的曲線
圖3是擬合后的曲線,由圖可看出輸入值和輸出值之間呈較好的線性關(guān)系,擬合曲線的方程為y=0.049 421 335 942 257 8+2.261 803 178 235 24×x,相關(guān)系數(shù)為R=0.999 72,可滿足一般的測量需要。
3、結(jié)束語
經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)驗證以及參考相關(guān)資料文獻,可得出以下結(jié)論:(1)本電路設(shè)計能有效地解決單片機接收單極信號和雙極信號的關(guān)系,使得單片機可接收并處理雙極信號。(2)通過對稱電路的設(shè)計,使得A/D可接收的信號由原來的0~5 V變?yōu)?5~+5 V,有效地擴大了A/D的量程。(3)當二極管選用得合適,能夠保證數(shù)據(jù)的線性關(guān)系。(4)設(shè)計使用單片機內(nèi)置的A/D模塊,節(jié)省了A/D芯片的使用,使得設(shè)計成本降低。
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