基于Freescale單片機的雙極模擬信號電路設計

　　摘要 實現A/D轉換通常需要使用A/D轉換芯片，而單片機內置的A/D模塊只能接收單極模擬信號。文中介紹了一種使Freescale單片機A/D轉換模塊能夠接收雙極型模擬信號的電路設計，文中電路采用對稱設計，擴大了A/D轉換的量程，提高了A/D轉換的分辨率。

　　關鍵詞 Freescale;A/D轉換;雙極模擬信號

　　通常A/D轉換都需使用A/D轉換芯片來實現，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內置的A/D模塊是16通道、12位精度、多路輸入復用、逐次逼近型的模數轉換器，故可省去使用A/D轉換芯片而設計的硬件電路，可降低成本，提高了系統的穩(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轉換，為此必須把雙極模擬信號轉換成單極正向模擬信號。在一般的設計中，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換成0～5 V單極信號，而這種平移電路會使得A/D轉換的精度降低一倍，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轉換的量程擴大了1倍，穩(wěn)定性也大幅提高。

　　1 電路設計

　　1.1 設計原理

　　當輸入的信號經放大電路放大后，若信號為正，則二極管1截止，信號無損失地從AD0口輸入，同時正的信號經反相器反相后變成負的信號，二極管2導通，所以AD1口接收到的信號為二極管2的正向導通壓降的負值，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導通，AD0口接收的數據為0，而經反相器反相后的信號為正，二極管2截止，AD1口接收數據。

　　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可接收的數據由原來的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，當二極管導通時，對應的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，分別測量數據分析二極管的線性度。

　　2 實驗與結論

　　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系。

　　表1是二極管為PMEG2010是測得的數據，將數據擬合后可得到二極管為PMEG2010時所得曲線，如圖2所示。

　　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系，所以測得的數據與輸入值之間呈非線性。

　　2.2 1N60

　　當把PMEG2010換成1N60后，再次測得一組數據，并分析其線性相關性。

　　將上述所測得數據擬合后得到圖3所示。

　　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，相關系數為R=0.999 72，可滿足一般的測量需要。

　　3 結束語

　　經過實驗數據驗證以及參考相關資料文獻，可得出以下結論：(1)本電路設計能有效地解決單片機接收單極信號和雙極信號的關系，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，能夠保證數據的線性關系。(4)設計使用單片機內置的A/D模塊，節(jié)省了A/D芯片的使用，使得設計成本降低。