基于计数器的双积分模数转换方法研究

　　本文介绍一种基于单片机系统计数器、通用放大器及模拟开关组成的高精度双积分型转换方法,有效弥补了单片机系统A/D转换方面的限制,拓展了单片机系统低端产品的应用前景。

　　1　系统方案

　　如图1所示,CPU选通模拟开关1,同时打开定时器,信号源开始在固定的时间T内完成充电过程;CPU选通模拟开关2,同时打开计数器,充电系统和积分基准电压形成放电回路,放电完毕后申请CPU中断,读取计数器值,计数器的值和信号源电压成正比关系。

　　2　工作原理

　　2.1　电路组成及关键参数选择

　　如图2所示,转换电路由模拟开关U1、积分电路U2B、比较电路U3B等组成。R4、R5分别为放电、充电环的电阻,采用精密电阻;C1为积分电容,采用聚脂薄膜电容;其余的阻、容元件选用普通贴片器件;U2B选用通用放大器,U3B选用通用比较器或和U2B一起选用一片集成双运放; T1~T4三极管工作在开关状态,选用通用的三极管。

　　2.2　辅助电路

　　以上A/D转换电路采用过零比较方式,只适合电压大于零的情况,如果系统转换过程中需要采集等于或小于零的电压,需要增加辅助电路。

　　如图3所示,取图2中的负基准Uref经放大器U4B反向放大,该电压通过电阻R24、R25和输入电压进行叠加,保证输出电压Uout大于零,系统积分电路能够正常转换;调整R22、R23的值,保证Uout工作在A/D满度范围。

　　2.3　工作过程

　　对照图2,系统工作过程分为以下4个阶段。

　　(1)初始化过程

　　WDL1选择低电平,三极管T1截止,A点为高电平,U1选择1或3通道(取决于B点的初始状态)。如果选择通道3,Y与Y3相通, C1两端通过R4完成放电,放电一段时间后,U30输出为高电平,三极管T4导通,B点为低电平,选择通道1。

　　(2)积分过程

　　如图4所示,WDL1选择高电平,三极管T1、T2导通,A点为低电平, B点为低电平,U1选择0通道, X与X0相通,输入电压Uin通过电阻R1、R5给C1充电;同时WDL2为低电平输入到单片机,定时器开始计时,在预定的时间t内,U3-积分电压逐渐降低;此时U30输出仍为高电平,WDL2保持低电平。

　　(3)反向积分过程

　　如图4所示,WDL1选择低电平,同时打开计数器。三极管T1、T2截止,A点为高电平,B点仍为低电平,U1选择1通道,X与X1相通,反向积分基准电压Uref通过电阻R5给C1反向充电,经过时间t1后,U3-电压达到预定值,比较器U3B输出电压U30变为低电平,三极T3截止,WDL2变为高电平输入到单片机,计数器停止计数,计数器内值与输入电压Uin成正比关系。

　　(4)放电过程