基于MSP430F1121單片機(jī)的Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器方案

Σ-ΔA/D技術(shù)具有高分辨率、高線性度和低成本的特點(diǎn)。本文基于TI公司的MSP430F1121單片機(jī)，介紹了采用內(nèi)置比較器和外圍電路構(gòu)成類(lèi)似于∑-△的高精度A/D實(shí)現(xiàn)方案，適合用于對(duì)溫度、壓力和電壓等緩慢變化信號(hào)的采集應(yīng)用。

在各種A/D轉(zhuǎn)換器中，最常用是逐次逼近法(SAR)A/D，該類(lèi)器件具有轉(zhuǎn)換時(shí)間固定且快速的特點(diǎn)，但難以顯著提高分辨率；積分型A/D 有較強(qiáng)的抗干擾能力，但轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)；過(guò)采樣Σ-ΔA/D由于其高分辨率，高線性度及低成本的特點(diǎn)，正得到越來(lái)越多的應(yīng)用。根據(jù)這些特點(diǎn)，本文以TI公司的MSP430F1121單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一種類(lèi)似于Σ-ΔA/D技術(shù)的高精度轉(zhuǎn)換器方案。

MSP430F1121是16位RISC結(jié)構(gòu)的FLASH型單片機(jī)，該芯片有14個(gè)雙向I/O口并兼有中斷功能，一個(gè)16位定時(shí)器兼有計(jì)數(shù)和定時(shí)功能。I/O口輸出高電平時(shí)電壓接近VCC，低電平時(shí)接近Vss，因此，一個(gè)I/O口可以看作一位DAC，具有PWM功能。

該芯片具有一個(gè)內(nèi)置模擬電壓比較器，只須外接一只電阻和電容即可構(gòu)成一個(gè)類(lèi)似于Σ-Δ技術(shù)的高精度單斜率A/D。一般而言，比較器在使用過(guò)程中會(huì)受到兩種因素的影響，一種是比較器輸入端的偏置電壓的積累；另一種是兩個(gè)輸入端電壓接近到一程度時(shí)，輸出端會(huì)產(chǎn)生振蕩。

MSP430F1121單片機(jī)在比較器兩輸入端對(duì)應(yīng)的單片機(jī)端口與片外輸入信號(hào)的連接線路保持不變的情況下，可通過(guò)軟件將比較器兩輸入端與對(duì)應(yīng)的單片機(jī)端口的連接線路交換，并同時(shí)將比較器的輸出極性變換，這樣抵消了比較器的輸入端累積的偏置電壓。通過(guò)在內(nèi)部將輸出連接到低通濾波器后，即使在比較器輸入端兩比較電壓非常接近，經(jīng)過(guò)濾波后也不會(huì)出現(xiàn)輸出端的振蕩現(xiàn)象，從而消除了輸出端震蕩的問(wèn)題。

利用內(nèi)置比較器實(shí)現(xiàn)高精度A/D

圖1是一個(gè)可直接使用的A/D轉(zhuǎn)換方案，該方案是一個(gè)高精度的積分型A/D轉(zhuǎn)換器。其基本原理是用單一的I/O端口，執(zhí)行1位的數(shù)模轉(zhuǎn)換，以比較器的輸出作反饋，來(lái)維持Vout與Vin相等。

圖1 利用MSP430F1121實(shí)現(xiàn)的實(shí)用A/D轉(zhuǎn)換器電路

如圖1所示，產(chǎn)生1位DAC的電路為一路通用I/O口、一個(gè)串聯(lián)的電阻和電容。在電容上產(chǎn)生Vout，要維持Vout=Vin，必須通過(guò) I/O口對(duì)電容進(jìn)行充放電，而由比較器的輸出來(lái)決定是進(jìn)行充電還是放電(即I/O口輸出高低電平)，這樣A/D形成了一個(gè)類(lèi)似于帶負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。以圖 1的電路為例，當(dāng)比較器輸出為高電平時(shí)，說(shuō)明Vout＞Vin，此時(shí)應(yīng)對(duì)電容放電，則I/O口輸出低電平；當(dāng)比較器輸出為低電平時(shí)，說(shuō)明Vout ＜Vin，應(yīng)對(duì)電容充電，則I/O口輸出高電平。

充、放電維持的時(shí)間確定的方法是每隔一個(gè)極短且固定的時(shí)間t后，查詢(xún)比較器的輸出狀態(tài)，如果比較器的輸出狀態(tài)沒(méi)變，則維持I/O口的輸出；當(dāng)比較器的輸出狀態(tài)發(fā)生改變，則I/O口的輸出狀態(tài)也應(yīng)改變。因此，I/O的某一狀態(tài)(高/低電平)維持的時(shí)間可能是Xt(X為整數(shù))，從而在整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，形成了一系列的X1、X2、…、Xi、…、 Xn。Xn為一隨機(jī)數(shù)，其值由比較器的輸出狀態(tài)而定。在每個(gè)單位時(shí)間t后，如果I/O口的輸出為高電平，則事先設(shè)定的計(jì)數(shù)加1，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換完成后，記錄下I/O口輸出高電平的次數(shù)為m。

而A/D轉(zhuǎn)換完成的時(shí)間主要取決于對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的精度要求。當(dāng)要求一個(gè)12位的A/D，則其時(shí)間為4096t，即對(duì)比較器輸出作 4096次查詢(xún)，每次查詢(xún)間隔時(shí)間為t(參考后面的程序及說(shuō)明)。同樣16位的A/D的時(shí)間為65535t。在此，將對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換精度要求的4096或 65535設(shè)為N，并結(jié)合上文所述，N=X1+X2+……Xn。

那么結(jié)合電容的充放電公式：

V(t)=V(1-exp(-t/RC))

可對(duì)積分型A/D作以下數(shù)學(xué)上的推斷，從而求出Vin。

N=X1+X2+……Xn

高電平的次數(shù)為m

假設(shè)：Vin(t)=Vin

根據(jù)Vout=Vin和電容的充放電的公式可得：

Vout(t)=Vin+m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC))-(N-m)Vin(1-exp(-t/RC)

m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC))為充電過(guò)程

(N-m)Vin(1-exp(-t/RC)為放電過(guò)程

因此：Vin=Vcc×m/N (1)

上式成立的前提條件是Vin 在短時(shí)間內(nèi)不變，且對(duì)確定Vout的電容要預(yù)充電，在開(kāi)始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前使Vout=Vin，即通過(guò)I/O口對(duì)電容預(yù)充電使比較器在發(fā)生第一次翻轉(zhuǎn)后，開(kāi)始進(jìn)行積分A/D轉(zhuǎn)換。

如果對(duì)(1)式作一些處理，可使得A/D轉(zhuǎn)換的處理更加方便：如果電源電壓Vcc為3.0V，取N=3000，則分辨率為1mV，當(dāng)m= 1245時(shí)， Vin=1.245V；如果N=30000，則分辨率為0.1mV，在m=12456時(shí)，則Vin=1.2456V。這樣，只要通過(guò)對(duì)m的確定就可以得到 Vin的值，避免了直接用公式(1)帶來(lái)的計(jì)算上的麻煩。

圖2 用比較器做A/D轉(zhuǎn)換的子程序代碼

應(yīng)用實(shí)例

上面介紹的低成本A/D轉(zhuǎn)換器方案適用于緩慢變化電信號(hào)的采集，如溫度、壓力、光和電壓等。結(jié)合芯片的低功耗特點(diǎn)，該方案適合于電池供電的便攜式儀器。

用圖1所示電路可以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，用HT1621作為液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，P1.0~P1.3四個(gè)I/O口控制HT1621。測(cè)量結(jié)果直接可以看到，利用該電路可以構(gòu)成一個(gè)具有12位以上分辨率的毫伏表。

因此，可以將測(cè)量結(jié)果放入FLASH存儲(chǔ)器中，具有記憶和回放功能。MSP430F1121 還有一個(gè)16位定時(shí)器，可以與一個(gè)I/O端口構(gòu)成一個(gè)UART，用于發(fā)送測(cè)量結(jié)果，上傳給PC機(jī)，可以構(gòu)成一個(gè)低采樣率的簡(jiǎn)易存儲(chǔ)示波器。