中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所　劉　斌

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SPCE061A單片機(jī)在兩次采樣AD轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用研究

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所劉斌

【摘要】AD轉(zhuǎn)換是測(cè)量工作當(dāng)中的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，在轉(zhuǎn)換過程中，為了確保轉(zhuǎn)換效果達(dá)到高精度的要求，通常選擇的AD轉(zhuǎn)換器都具有較高的位數(shù)，因而會(huì)提升測(cè)量成本。而采用SPCE061A單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)利用普通AD轉(zhuǎn)換器，使AD轉(zhuǎn)換的精度滿足要求?；趦纱尾蓸拥脑?，對(duì)一個(gè)模擬量進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換，就能夠得到高精度的要求。這種方法設(shè)備要求較低，能夠極大的節(jié)省測(cè)量成本。

【關(guān)鍵詞】SPCE061A單片機(jī)；兩次采樣AD轉(zhuǎn)換；應(yīng)用研究

0　前言

在信息時(shí)代背景下，AD轉(zhuǎn)換逐漸成為測(cè)量領(lǐng)域中一項(xiàng)必不可少的重要工作。在測(cè)量精度方面，普通的AD轉(zhuǎn)換器無法達(dá)到實(shí)際的測(cè)量精度需求，而精度較高的AD轉(zhuǎn)換器成本較高，難以得到推廣和普及。因此，在這一領(lǐng)域中，人們一直致力于研究如何采用成本較低的普通AD轉(zhuǎn)換器，來實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。利用兩次采樣技術(shù)，能夠使低成本的AD轉(zhuǎn)換器同樣達(dá)到高精度的要求。例如使用SPCE061A單片機(jī)，通過兩次采樣AD轉(zhuǎn)換，就能夠達(dá)到這一目的。

1　SPCE061A單片機(jī)

SPCE061A單片機(jī)是一種微控制器，具有16位結(jié)構(gòu)，目前，應(yīng)用該單片機(jī)制作融合了仿真與開發(fā)的實(shí)驗(yàn)板較為常見，也就是61板。利用61板，能夠直接實(shí)現(xiàn)在線仿真，無需另外應(yīng)用仿真器。在SPCE061A單片機(jī)當(dāng)中，集成的FLASH為32K字、SRAM為2K字、定時(shí)計(jì)數(shù)器為雙16位、模數(shù)轉(zhuǎn)換器為7通道10位、數(shù)模轉(zhuǎn)換器為2通道10位。同時(shí)包含有音頻輸入和輸出端口、串行通信口、復(fù)位、低壓檢測(cè)等部分[1]。在當(dāng)前各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域當(dāng)中，SPCE061A單片機(jī)的應(yīng)用，都發(fā)揮出了十分良好的性能和效果，因而，可利用其內(nèi)部的AD和DA資源，通過兩次采樣實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的高精度要求。

2　兩次采樣工作原理

兩次采樣AD轉(zhuǎn)換又叫做動(dòng)態(tài)刻度擴(kuò)展方法，這種方法主要是對(duì)被測(cè)電壓，首先利用的精度的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一次粗測(cè)，然后對(duì)粗測(cè)過程中產(chǎn)生的誤差值進(jìn)行精確的測(cè)量。對(duì)兩次測(cè)量得出的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)相加或加權(quán)相減，最終得出的測(cè)量結(jié)果就能夠滿足實(shí)際測(cè)量的精度要求。在實(shí)際操作過程中，被測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)入之后，開始進(jìn)行第一次采樣，此時(shí)DAC會(huì)的輸出結(jié)果為0，在1倍前置放大器條件下，將被測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸DC。在第一次測(cè)量結(jié)果當(dāng)中，應(yīng)用轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，并對(duì)本次轉(zhuǎn)換的電壓進(jìn)行記錄[2]。然后在第二次采樣的過程中，DAC的輸出值即為第一次轉(zhuǎn)換時(shí)的電壓，在前置放大器中輸入的電壓，就是第一次采樣過程中產(chǎn)生的誤差值。然后改變前置放大器的倍數(shù)，設(shè)定為128倍，ADC當(dāng)中得到的電壓即為第一次采樣誤差的128倍。在第二次測(cè)量結(jié)果中，應(yīng)用此次測(cè)量的數(shù)據(jù)，就完成了兩側(cè)采樣的過程，最終的結(jié)果就是兩次測(cè)量值的總和除以128。

3　SPCE061A單片機(jī)兩次采樣AD轉(zhuǎn)換

3.1硬件

在利用SPCE061A單片機(jī)進(jìn)行兩次采樣的過程中，需要應(yīng)用到前置放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、顯示器、數(shù)據(jù)處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等部分。而在SPCE061A單片機(jī)當(dāng)中，具有除了顯示器、前置放大器以外的所有部分。因此，SPCE061A單片機(jī)在兩次采樣AD轉(zhuǎn)換的應(yīng)用當(dāng)中，只需要添加一個(gè)外部數(shù)碼管顯示器和前置放大器，就能夠完成兩次采樣AD轉(zhuǎn)換工作。在SPCE061A單片機(jī)當(dāng)中，擁有10位的AD轉(zhuǎn)換器，在0V到5V的模擬電壓范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，能夠達(dá)到0.005V左右的分辨能力[3]。然而，在一些實(shí)際的測(cè)量工作當(dāng)中，這種分辨能力和測(cè)量精度無法滿足實(shí)際需求。因此，基于這一分辨能力，如果能夠?qū)⑵涮嵘?28倍，就能夠達(dá)到0.00004V的分辨能力。這一測(cè)量精度已經(jīng)能夠等同于16位或17位的AD轉(zhuǎn)換器，因而基本上能夠滿足很多測(cè)量工作對(duì)精度的要求。為了在軟件計(jì)算的過程中避免出現(xiàn)誤差，因而擴(kuò)大倍數(shù)選擇了128倍這一數(shù)值。

系統(tǒng)輸入控制電路當(dāng)中，具有比較簡單的外部電路，僅僅包含一個(gè)模擬開關(guān)、一個(gè)運(yùn)算放大器。采用了CD4051模擬開關(guān)，并且利用運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)的放大器，以此來控制輸入電壓的走向。利用這一電路，能夠確保誤差電壓、被測(cè)電壓順利的輸入到AD轉(zhuǎn)換器當(dāng)中。在這一電路中，運(yùn)算放大器除了發(fā)揮出放大作用以外，同時(shí)對(duì)于被測(cè)電壓、第一次轉(zhuǎn)換電壓之間，還需要利用運(yùn)算放大器進(jìn)行求差的運(yùn)算。在電路運(yùn)作的過程中，如果模擬開關(guān)選通相應(yīng)的位置，被測(cè)電壓將會(huì)輸送到運(yùn)算放大器的相應(yīng)腳，根據(jù)運(yùn)放的疊加原理、虛斷原理等，就能夠得出反向輸入端和同相輸入端的電壓值。另外再根據(jù)虛短原理，能夠最終求得輸電壓。然后對(duì)電路當(dāng)中的電阻值進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)電壓之間差值的求解及放大。

3.2軟件

利用SPCE061A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)兩次采樣AD轉(zhuǎn)換，應(yīng)當(dāng)對(duì)系統(tǒng)工作過程進(jìn)行科學(xué)、有效的程序控制。在實(shí)際應(yīng)用中，主要運(yùn)用了兩次采樣過程的控制程序，包括數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)計(jì)算等。在程序開始之后，首先打開模擬開關(guān)1通道，并將AD轉(zhuǎn)換器1啟動(dòng)；然后打開模擬開關(guān)2通道，并啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器2；在D2中存入轉(zhuǎn)換值，并將該值縮小128倍；將D1和D2相加，并對(duì)電壓值進(jìn)行計(jì)算，最后輸送到顯示器當(dāng)中進(jìn)行結(jié)果顯示[4]。在這一過程中，為了使轉(zhuǎn)換結(jié)果的精度得到提升，在對(duì)靜止電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的過程中，可以進(jìn)行多次測(cè)量，并將計(jì)算得出的平均值最為測(cè)量結(jié)果，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的有效控制。而如果對(duì)變化較快的電壓進(jìn)行測(cè)量，就只能夠進(jìn)行一次測(cè)量。利用相應(yīng)的軟件程序完成轉(zhuǎn)換過程，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)中數(shù)模轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間工作配合情況的控制，并在完成兩次采樣之后，對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和給出。

4　結(jié)論

SPCE061A單片機(jī)是測(cè)量領(lǐng)域中一個(gè)十分具有代表性的低成本、的精度AD轉(zhuǎn)換器。利用該轉(zhuǎn)換器，能夠在低成本的條件下，采用的精度轉(zhuǎn)換器完成測(cè)量工作，利用兩次采樣AD轉(zhuǎn)換，最終滿足測(cè)量結(jié)果的高精度要求。

參考文獻(xiàn)

[1]馬艷玲,趙戰(zhàn)民,李明亮.高精度兩次采樣AD轉(zhuǎn)換[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008(14):311-312+191.

[2]李長安,李琦,曾銳利,符峰釗.基于V/F變換器實(shí)現(xiàn)快速A/D轉(zhuǎn)換的探討[J].電子科技,2008(6):30-33.

[3]楊帥,薛嵐,高安邦,徐后敏.基于SPCE061A智能小車機(jī)器人語音辨識(shí)系統(tǒng)的研究[J].山西電子技術(shù),2009(4):5-6+19.

[4]李戰(zhàn)勝,李智,楊昌.基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的礦山電網(wǎng)的功率因數(shù)監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)[J].電子世界,2014(11): 27-28.