Realize twice sample AD conversion
摘要:AD轉(zhuǎn)換是測量中一個非常重要的部分，為了達(dá)到精度比較高的轉(zhuǎn)換效果，人們往往選擇位數(shù)較高的AD轉(zhuǎn)換器，這樣容易造成電路的成本過高。本文就介紹一種如何利用普通的AD轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)高精度的AD轉(zhuǎn)換，它利用兩次采樣的原理，通過一個模擬量進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)高精度。此轉(zhuǎn)換器所需元件比較簡單，主要由一個凌陽SPCE061A單片機(jī)和一些普通的選通、運(yùn)放電路組成，文章從硬件電路的組成和軟件程序的編寫兩個方面來進(jìn)行說明，清晰的介紹了如何來實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換的功能。
關(guān)鍵詞:AD轉(zhuǎn)換，高精度，兩次采樣，原理
ABSTRACT:In the scopes of measure, AD conversion is a very important part, the higher bit AD converter always is chosen in order to gain high precision, but it is very expensive for the circuit . With twice sampling theory, an analog voltage is converted twice to realize the high precision. The converter is composed of lingyang SPCE061A mcu, ordinary gates and amplifiers, it is simple. That how to realize the high precision conversion is showed clearly on hardware circuit and software programs in this article.
KEYWORDS:AD conversion, high precision, twice sample, elements
引言
在測量領(lǐng)域中，隨著大規(guī)模數(shù)字時代的到來，AD（模數(shù)）轉(zhuǎn)換已經(jīng)成為一個非常重要的部分。普通的AD轉(zhuǎn)換器因測量精度較低而不能滿足測量的要求，而高精度的AD轉(zhuǎn)換器價格昂貴，不易推廣，所以用簡單便宜的AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)高精度的測量是一個解決矛盾的最好辦法。兩次采樣技術(shù)就是利用低精度的AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)換，它實(shí)現(xiàn)方法簡單，對元件的要求不高，應(yīng)用范圍非常廣泛。下面就介紹一種利用凌陽公司的SPCE061A單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的兩次采樣AD轉(zhuǎn)換。
一、凌陽SPCE061A單片機(jī)簡介
SPCE061A是凌陽公司推出的一個16位結(jié)構(gòu)的微控制器，內(nèi)部集成有32K字FLASH，2K字SRAM，雙16位的定時/計數(shù)器，7通道10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和雙通道的10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并有音頻輸入輸出端口，32個輸入輸出端口，串行通信口，低壓檢測和復(fù)位等。[1] SPCE061A單片機(jī)以它的優(yōu)異性能正在越來越多的應(yīng)用到許多領(lǐng)域，本文就來介紹如何利用其內(nèi)部的A/D和D/A資源來實(shí)現(xiàn)兩次采樣的高精度AD轉(zhuǎn)換。
二、兩次采樣的工作原理
兩次采樣AD轉(zhuǎn)換又稱動態(tài)刻度擴(kuò)展方法，是日本武田研究公司最先提出的。該方法是利用一個低精度的AD轉(zhuǎn)換器先對被測電壓進(jìn)行一次粗測，然后再精確的測量出粗測時的誤差值，最后兩次測量結(jié)果按權(quán)相加（或相減），即可得到高準(zhǔn)確度的測量結(jié)果。兩次采樣AD轉(zhuǎn)換的框圖如圖1。[2]
由圖可知，被測量 進(jìn)入后，開始第一次采樣，第一次采樣時數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出VDA為0，前置放大器×1，則被測量直接給到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)N1放到第一次測量結(jié)果中，這次轉(zhuǎn)換的電壓我們記為V1。接下來進(jìn)行第二次采樣，這時將數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）輸出的VDA為剛才轉(zhuǎn)換的電壓 ，則輸入到前置放大器的電壓為
，既第一次采樣時的誤差，這時將前置放大器改成×128，則送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的電壓為
，這次將測量的數(shù)據(jù)N2放到第二次測量結(jié)果中。這樣，兩次采樣結(jié)束，總的結(jié)果為N1+N2/128。
三、用SPCE061A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)兩次采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換
1、硬件部分。由圖1可以看出，要實(shí)現(xiàn)兩次采樣，主要的部分為前置放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理部分和顯示部分，而這些部分除了前置放大器外和顯示部分外，SPCE061A單片機(jī)里面全有，所以，我們只需在做一個外部的前置放大器和數(shù)碼管顯示就可以很容易的實(shí)現(xiàn)兩次采樣的AD轉(zhuǎn)換了。硬件結(jié)構(gòu)如圖2。
SPCE061A單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器是10位的，如果我們要轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍為0~5V，則分辨力能達(dá)到5/210V，約為0.005V（5mV），顯然在一些測量中是不夠的，如果使分辨力提高128倍，達(dá)到0.00004V（0.04mV），已經(jīng)是相當(dāng)高的精度了，相當(dāng)于16到17位的AD轉(zhuǎn)換器。這里之所以選擇128倍，是為了在軟件計算時更加容易，不出現(xiàn)誤差。
