某系統(tǒng)的A／D模塊需實現(xiàn)檢測輸入電壓值，變化范圍為0～58 V。主芯片選用NXP公司的ARM7系列的LPC2368，片上自帶10位ADC和DAC，ADC測量輸入電壓范圍是0～3 V，而DAC的范圍是0～3 V。傳統(tǒng)方法是直接將輸入電壓送入ADC法滿足精度要求，但輸入電壓的變化范圍大于ADC的輸入電壓范圍。基于此，這里給出一種利用MCU自帶ADC和DAC，并結(jié)合運放、電容、電阻等元件搭建外圍硬件電路，實現(xiàn)10～20位測量精度可調(diào)的ADC的方法。
1 高精度ADC設(shè)計原理
輸入電壓經(jīng)過電阻分壓產(chǎn)生電壓U入，送入由運放和電阻組成的減法運算電路的同相端，分壓的原因是輸入電壓最大值大于運放的最大輸入電壓。MCU的DAC輸出經(jīng)過同相比例運算電路放大之后產(chǎn)生與U入相近的電壓U近，送入減法電路的反相端。同相比例運算電路的作用是擴大DAC的輸出電壓范圍，使U入和U近的最大值近似相等。經(jīng)過減法運算電路之后的電壓差值U差經(jīng)過箝位電路送入MCU的ADC，通過讀ADC寄存器的值可得U差的值。箝位電路是防止ADC的輸入電壓超過量程，而導(dǎo)致燒毀MCU。
在測量時，由軟件控制改變DAC寄存器的值，從而改變DAC輸出電壓值，使U差的電壓值在量程范圍(0～3 V)之內(nèi)。此時通過讀DAC和ADC的寄存器的值，可得DAC輸出電壓與送入ADC的電壓U差的值。根據(jù)DAC的輸出電壓和同相比例運算電路公式可得U近電壓值，根據(jù)減法電路公式、U差和U近的值可得輸入電壓值。
系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
圖2為實現(xiàn)17位ADC原理圖。U101、R100、R101、R102、R103組成減法電路，U102、R108、R109、R116組成同相比例運算電路。VD100
組成箝位電路。VR是由基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的3 V的基準(zhǔn)電壓。R117和R118組成分壓電路，在R118上的電壓為45 mV可抵消運放的零漂。ADO是MCU的ADC通道0的輸入端。
圖2所示的電路雖然只是實現(xiàn)17位ADC，但通過修改幾個特定的電阻阻值就可實現(xiàn)調(diào)節(jié)測量輸入電壓范圍和ADC測量分辨率。通過修改同相比例運算電路中R109與R116比例值，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸入電壓的測量范圍；通過修改減法電路中的R103與R100比例值，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)ADC的分辨率。下面結(jié)合實現(xiàn)17位ADC硬件設(shè)計電路圖，具體說明如何實現(xiàn)17位高精度ADC、調(diào)節(jié)測量輸入電壓范圍和實現(xiàn)10～20位精度可調(diào)的ADC。
2．1 17位ADC的實琨過程
對于一個n位的ADC，其分辨率為可測量最大輸入電壓值與2n的比值。因此，此電路圖可實現(xiàn)的ADC的位數(shù)可以通過輸入電壓的最大值和分辨率計算得出。
1)計算輸入電壓測量范圍的方法 由圖2可知，ADC的輸入電壓計算公式如下：
式中，VIN是輸入電壓，VDAOUT是當(dāng)ADC的輸入電壓處于量程范圍之內(nèi)時DAC電壓，VDAO是ADC輸入電壓。
由式(2)可知，當(dāng)DAC的輸出電壓和ADC的輸入電壓剛好達到最大值3 V時，輸入電壓為59．1 V，此電壓值為系統(tǒng)可測量的最大輸入電壓值。由此可見輸入電壓的測量范圍是0～59．1 V。
2)ADC分辨率的計算方法 當(dāng)DAC的輸出為零時，即VDAOUT=0時，由式(2)可知輸入電壓VIN與VADO的電壓的關(guān)系為：
VIN=VADO／10。MCU的ADC位數(shù)是1O位、最大輸入電壓是3 V。因此，ADC分辨率為0．292 mV。
3)實現(xiàn)17位ADC根據(jù)輸入電壓最大值與ADC分辨率的比值計算出此電路圖實現(xiàn)的ADC的位數(shù)。由59．1／(0．292x10-3)=202 397=217．6，可以看出此電路實現(xiàn)了17位的ADC。
2．2 調(diào)節(jié)測量輸入電壓范圍的方法
因為VADO和VDAOUT的最大值都是3 V，由式(2)可知，可測量的最大輸入電壓值是由R100、R103、R116、R109決定的。改變R100與R103的比值會影響ADC的測量精度，因此，調(diào)節(jié)測量輸入電壓范圍主要是通過調(diào)節(jié)R116與R109的比值。由式(2)容易看出，當(dāng)R116增加時，測量電壓輸入范圍增加，R109增加時測量電壓輸入范圍減小。
2．3 實現(xiàn)10～20位精度可調(diào)ADC的方法
由17位ADC的實現(xiàn)過程可知，此電路實現(xiàn)ADC的位數(shù)是由測量輸入電壓最大值和ADC的分辨率決定的。所以在改變ADC的位數(shù)時，要通過改變測量輸入電壓范圍或者ADC分辨率。但是，系統(tǒng)測量輸入電壓范圍是固定的。因此，可通過改變ADC分辨率實現(xiàn)ADC的位數(shù)改變。
1)調(diào)節(jié)ADC分辨率的方法當(dāng)DAC的輸出電壓為零時，將式(2)化簡為式(3)：
由式(3)可知，當(dāng)MCU的ADC變化一個電壓刻度值時，VIN變化6R100／R103。ADC位數(shù)是10位、最大輸入電壓是3 V。因此，ADO分辨率為3 V／1 024=2．92 mV，ADC的分辨率為2．92x10-3x6R100／R103。由此可見，R100增加時，分辨率下降；R103增加時，分辨率提高。
2)實現(xiàn)10～20位精度可調(diào)ADC通過可測量的輸入電壓最大值與要實現(xiàn)的ADC的位數(shù)可計算出ADC的分辨率，再通過式(3)可求出R100與R103的比例關(guān)系。按照R100與R103的比例關(guān)系修改其阻值，即可實現(xiàn)要得到的ADC的位數(shù)。例如將本系統(tǒng)修改為20位ADC，則ADC測量精度應(yīng)該為59．1 V／220=0．056 mV。由式(3)可知0．056=6x0．292xR100／R103，所以修改R103與R100的比值為312．8，即可以實現(xiàn)20位的ADC。通過此方法可實現(xiàn)10～20位精度可調(diào)的ADC。
2．4 硬件設(shè)計說明
U100是由運放OPA177F組成的電壓跟隨器，具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，在本系統(tǒng)中的作用是實現(xiàn)匹配U101的輸入電阻和提高對輸入電壓分壓的精確度。R101和R100第二級減法運算電路的輸入匹配電阻，其阻值不宜小于10 kΩ，太小會影響ADC的測量精度。R104為限流電阻，防止電流超過VD100的最大額定電流。
R117和R118組成分壓電路，在R118上的電壓為45 mv，可抵消運放的零漂。若不加此分壓電路且DAC輸出為零時，經(jīng)過實際測量TP102點的電壓約為120 mV，這是由運放的零漂造成的，會影響ADC的測量精度。在每一個運放輸入端添加了0．1 μF的電容，去除高頻信號，提高輸入信號的穩(wěn)定性。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件部分主要功能是對輸入電壓的測量。因為硬件設(shè)計中，運放和電阻本身的參數(shù)存在誤差，所以它們組成的放大電路的放大倍數(shù)存在誤差，從而造成ADC測量產(chǎn)生誤差。因此，傳統(tǒng)方法直接利用它們組成的放大電路的計算公式(式(2))計算出的輸入電壓值誤差比較大，電壓跳動明顯。因此，在系統(tǒng)第一次測量輸入電壓前，首先通過軟件設(shè)計建立輸入電壓校正表校正的方法實現(xiàn)減小誤差。
校正表是在第一次測量之前建立的數(shù)據(jù)表，作用是通過此表觀察輸入電壓值與測量值之間滿足何種曲線關(guān)系。在測量輸入電壓時，通過得到的曲線關(guān)系選擇拉格朗日插值算法，并將測量的值代入選擇的拉格朗日插值公式，計算出較為精確的輸入電壓值。
3．1 軟件實現(xiàn)過程
軟件設(shè)計過程主要包括MCU的ADC進行初始化，建立輸入電壓校正表，計算表達式(5)的值，拉格朗日插值計算輸入電壓，顯示輸入電壓值。軟件設(shè)計流程如3所示。
設(shè)X為MCU的DAC數(shù)字量十進制的值，Y為MCU的ADC數(shù)字量十進制的值。
由式(4)可得式(5)：
3．1．1 初始化ADC
主要是對MCU的ADC進行初始化，主要包括ADC寄存器配置、選擇I／O口的工作模式、選擇ADC的通道、啟動ADC。
3．1．2 校正
校正是在測量輸入電壓前，首先利用基準(zhǔn)電壓源輸入多個基準(zhǔn)電壓值，并通過讀MCU的ADC寄存器值記錄對應(yīng)的數(shù)字量的值，并將這兩項的值保存到校正表中。在測量輸入電壓時，將所得的數(shù)字量的值利用拉格朗日插值算法代入校正表可得精確的輸入電壓值。
1)校正表內(nèi)容校正的過程主要是通過建立校正表建立起實際輸入電壓值與測量輸入電壓值的聯(lián)系。校正表存放兩項數(shù)據(jù)。一項是1～59 V的整數(shù)電壓值，另一項是式(5)的和。因為系統(tǒng)測量的輸入電壓值是只保留到小數(shù)點后2位的近似值，而式(5)中包含測量的ADC和DAC的十進制數(shù)字量值更為精確。由式(4)可看出式(5)的值與測量的輸入電壓值存在比例關(guān)系，所以它們與實際輸入電壓的曲線關(guān)系相同。因此，另一項的內(nèi)容存放的是式(5)的和。
2)建立校正表的過程從1～59 V，用電壓源每隔1 V輸入一次電壓，通過讀MCU的ADC和DAC寄存器的值，記錄每次ADC和DAC的數(shù)字量十進制的值。將記錄的ADC和DAC的值代入式(5)計算其和并保存到校正表中。
3．1．3 計算式(5)的和值
通過程序改變MCU的DAC寄存器的值實現(xiàn)改變DAC的輸出電壓值，在改變DAC寄存器的值的同時通過觀察ADC的寄存器的值確定ADO的輸入電壓值是否在量程范圍之內(nèi)。當(dāng)ADO的輸入在量程范圍之內(nèi)時，通過讀DAC寄存器和ADC的寄存器值可分別獲得MCU的DAC和ADC的數(shù)字量十進制值，將獲得的值代入式(5)可得其和。
3．1．4 計算輸入電壓
計算輸入電壓函數(shù)實現(xiàn)功能是利用拉格拉日插值公式計算出輸入電壓。通過坐標(biāo)軸觀察校正表中數(shù)據(jù)，實際輸入電壓值與測量值滿足線性關(guān)系。在輸入電壓校正表中，查找與式(6)的值最接近的2個點，然后代入拉格拉日線性插值公式計算出輸入電壓。
3．2 實驗結(jié)果
利用傳統(tǒng)方法直接送入ADC測量輸入電壓的精度理想情況下最高為59．1／1024=57．7mV，由于硬件參數(shù)誤差和干擾等原因會使測量誤差大于20mV，無法滿足系統(tǒng)的測量精度和準(zhǔn)確度要求。利用本文所提出的17位高精度A／D測量方法測量精度可減小為0.45mV，通過軟件校正的方法測量誤差可控制在10mV以內(nèi)，滿足了設(shè)計要求。通過本文所述提高測量精度的方法，最高可實現(xiàn)20位ADC，測量精度可減小為0.056 mV。
4 結(jié)束語
本文基于NXP的LPC2368，利用其內(nèi)部集成的ADC和DAC，實現(xiàn)高精度且精度可調(diào)的ADC，這種方法容易實現(xiàn)，可以應(yīng)用在眾多數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，如傳感器的數(shù)據(jù)采集、電壓信號的測量等，只要選用的MCU自帶ADC和DAC，就可以采用本文方法實現(xiàn)最高精度達20位的高精度且精度可調(diào)的ADC。