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      單片機雙極模擬信號A/D轉換的電路設計
      發(fā)布者:深圳市踏歌科技有限公司  發(fā)布時(shí)間:2016-11-14
        通常A/D轉換都需使用A/D轉換芯片來(lái)實(shí)現,它有8 kB的RAM、128 kB的片內閃存(Flash EEPROM)、2 kB的電可擦寫(xiě)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(jìn)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(guò)電位平移電路轉換成0~5 V單極信號,而這種平移電路會(huì )使得A/D轉換的精度降低一倍,而且穩定性也降低。而文中采用對稱(chēng)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,穩定性也大幅提高。

        1、電路設計
      圖1 總體電路示意圖
        圖1 總體電路示意圖
        1.1 設計原理
        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(wú)損失地從AD0口輸入,同時(shí)正的信號經(jīng)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(gè)負值電壓的幅度小于A(yíng)/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(shí),二極管1導通,AD0口接收的數據為0,而經(jīng)反相器反相后的信號為正,二極管2截止,AD1口接收數據。
        若AD=AD0-AD1,當信號為正時(shí),AD=AD0-0,為正;當信號為負時(shí),AD=0-AD1,為負。此時(shí),AD可接收的數據由原來(lái)的0~5 V擴展為-5~+5 V。
        1.2 二極管的選擇
        若從線(xiàn)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(shí),對應的A/D口所接收到的信號為-0.7 V,這會(huì )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(jìn)行實(shí)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(xiàn)性度。

        2、實(shí)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(xiàn)性關(guān)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(shí)所得曲線(xiàn),如圖2所示。
      表1 二極管為PMEG2010時(shí)的輸入與輸出值
      表1 二極管為PMEG2010時(shí)的輸入與輸出值(2)
        表1 二極管為PMEG2010時(shí)的輸入與輸出值
      圖2 二極管為PMEG2010時(shí)所得曲線(xiàn)
        圖2 二極管為PMEG2010時(shí)所得曲線(xiàn)
        由圖2所示,在零點(diǎn)附近輸入與輸出之間呈明顯的非線(xiàn)性關(guān)系。原因是PMEG2010的反相漏電流過(guò)大,且漏電流大小與輸入信號的大小之間也呈非線(xiàn)性關(guān)系,所以測得的數據與輸入值之間呈非線(xiàn)性。
        2.2 1N60
        當把PMEG2010換成1N60后,再次測得一組數據,并分析其線(xiàn)性相關(guān)性。
      表2 二極管為1N60時(shí)的輸入與輸出值
        表2 二極管為1N60時(shí)的輸入與輸出值
        將上述所測得數據擬合后得到圖3所示。
      圖2 二極管為1N60時(shí)所得測得的曲線(xiàn)
        圖2 二極管為1N60時(shí)所得測得的曲線(xiàn)
        圖3是擬合后的曲線(xiàn),由圖可看出輸入值和輸出值之間呈較好的線(xiàn)性關(guān)系,擬合曲線(xiàn)的方程為y=0.049 421 335 942 257 8+2.261 803 178 235 24×x,相關(guān)系數為R=0.999 72,可滿(mǎn)足一般的測量需要。
       
        3、結束語(yǔ)
        經(jīng)過(guò)實(shí)驗數據驗證以及參考相關(guān)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(guān)系,使得單片機可接收并處理雙極信號。(2)通過(guò)對稱(chēng)電路的設計,使得A/D可接收的信號由原來(lái)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(xiàn)性關(guān)系。(4)設計使用單片機內置的A/D模塊,節省了A/D芯片的使用,使得設計成本降低。


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