圖1 逐次比較型A/D的輸入端等效電路
其中,RIN為輸入模擬信號內(nèi)阻,VS為輸入模擬電壓信號,RSH為模擬多路開關(guān)與采樣開關(guān)的等效電阻,VSH為采樣電容的充電電壓,由等效電路可以看出,輸入模擬信號內(nèi)阻越大,則采樣電容充電時(shí)間越長,因此,對于采樣頻率要求越高的場合,要求模擬輸入信號內(nèi)阻必須越小,在應(yīng)用時(shí)必須首先估算在規(guī)定的采樣頻率下,對模擬輸入信號內(nèi)阻的要求。由電路理論可以求得RIN所允許的最大值（假設(shè)采樣時(shí)間為T）：
如果信號源內(nèi)阻達(dá)不到要求,則需使用一個(gè)輸出阻抗很小的緩沖器,例如可以使用電壓跟隨器,使信號源的輸出阻抗達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的輸入阻抗的范圍之內(nèi)。
2.2 模擬信號極性及幅值的變換
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,采集的模擬信號并非都是非負(fù)單極性信號,經(jīng)常是雙極性信號,因此在使用嵌入式A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)候,需要對模擬輸入信號進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換,我們可以采用運(yùn)算放大器組成的線性網(wǎng)絡(luò)來對其極性及幅值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,但須注意的是在引入線性網(wǎng)絡(luò)的同時(shí),又引入了一定量的非線性誤差,其線性網(wǎng)絡(luò)原理圖可用下圖表示：
圖2 線性網(wǎng)絡(luò)原理圖
只要改變電阻R1、R2、R3的大小以及它們的比例關(guān)系便可調(diào)整模擬輸入信號的大小使其符合測量要求。
下面介紹一種常用的芯片AT90S8535關(guān)于其A／D轉(zhuǎn)換器使用時(shí)應(yīng)該注意的情況。 AT90S8535是ATMEL公司生產(chǎn)的一款基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的,低功耗的8位單片機(jī),其內(nèi)部集成有模數(shù)轉(zhuǎn)換器,模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有以下特點(diǎn)：
10位分辨率;
±2LSB精確度;
0.5LSB集成線性度;
65～260μs轉(zhuǎn)換時(shí)間;
8通道;
自由運(yùn)行模式和單次轉(zhuǎn)換模式;
ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷;
休眠模式噪聲消除。
AT90S8535具有10位分辨率的逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器。ADC與一個(gè)8通道模擬多路器相連,這樣就允許A口作為ADC的輸入引腳。ADC包含一個(gè)采樣保持放大器,ADC框圖如下所示：
圖3ADC框圖
ADC可以工作于兩種模式——單次轉(zhuǎn)換和自由運(yùn)行。在單次轉(zhuǎn)換模式下,用戶必須啟動每一次轉(zhuǎn)換,而在自由運(yùn)行模式下,ADC會連續(xù)采樣并更新ADC數(shù)據(jù)寄存器。ADCSR的ADFR位用于選擇A／D轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行模式。
由于模擬通道的轉(zhuǎn)換總是要延遲到轉(zhuǎn)換的結(jié)束,因此,自由運(yùn)行模式可以用來掃描多個(gè)通道,而不中斷轉(zhuǎn)換器。一般來說,ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷用于修改通道,但需考慮一下因素;結(jié)果一旦準(zhǔn)備好,中斷就被觸發(fā),在自由運(yùn)行模式,中斷一被觸發(fā),則下一次轉(zhuǎn)換馬上開始。如果中斷觸發(fā)過后,模擬通道改變,而下一次轉(zhuǎn)換已經(jīng)開始,則仍舊使用以前設(shè)置。
3.1 ADC噪聲消除技術(shù)
AT90S8535的內(nèi)外部數(shù)字電路會產(chǎn)生電磁干擾,從而影響模擬測量精度。如果要求測量精度較高,則應(yīng)采取如下技術(shù)以減少噪聲：
1) AT90S8535的模擬部分及其他的模擬器件在PCB板上要有獨(dú)立的地線層。模擬地與數(shù)字地單點(diǎn)相連;
2)使模擬信號通路盡量短。使模擬走線在模擬地上通過,并盡量保持遠(yuǎn)離高速數(shù)字通路的走線;
3)AVCC要通過一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)連接到VCC;
4)利用ADC的噪聲消除功能減小來自CPU的噪聲;
5)如果A口的一些引腳作數(shù)字輸出口,則在ADC轉(zhuǎn)換過程中,這些口不要改變其狀態(tài)。
3.2 ADC噪聲消除功能的實(shí)現(xiàn)
ADC可以在CPU空閑模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換,這一特征使得可以抑制來自CPU的噪聲。為了實(shí)現(xiàn)這一特性,需采取一下措施：
A)必須選擇單次轉(zhuǎn)換模式,ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷必須使能;
ADEN=1;ADSC=0;ADFR=0;ADIE=1;
B)進(jìn)入空閑模式。一旦CPU停止,則ADC將開始轉(zhuǎn)換;
C)如果在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束之前沒有發(fā)生其它中斷,則ADC中斷將喚醒MCU并執(zhí)行ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。
微控制器片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器由于自身的結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn),在許多應(yīng)用中會遇到與獨(dú)立A/D轉(zhuǎn)換器不同的問題,但大多數(shù)嵌入微控制器的A/D器都具有像AT90S8535相似的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn),采取的消噪技術(shù)和方法也大致相同,我們需根據(jù)具體情況具體分析需采取嵌入A/D還是獨(dú)立A/D,并根據(jù)具體需求采取必要的措施來提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度。
【參考文獻(xiàn)】
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【2】AVR AT90S8535 data sheet
【3】AVR單片機(jī)應(yīng)用技術(shù) 李勛 耿德根 北京航空航天大學(xué)出版社 2002年
（來源：國外電子測量技術(shù)）
