用單片機內(nèi)置比較器設(shè)計高精度A/D變換器

Σ-ΔA/D技術(shù)具有高分辨率、高線性度和低成本的特點。本文基于TI公司的MSP430F1121單片機，介紹了采用內(nèi)置比較器和外圍電路構(gòu)成類似于Σ-△的高精度A/D實現(xiàn)方案，適合用于對溫度、壓力和電壓等緩慢變化信號的采集應(yīng)用。 在各種A/D轉(zhuǎn)換器中，最常用是逐次逼近法(SAR)A/D，該類器件具有轉(zhuǎn)換時間固定且快速的特點，但難以顯著提高分辨率；積分型A/D 有較強的抗干擾能力，但轉(zhuǎn)換時間較長；過采樣Σ-ΔA/D由于其高分辨率，高線性度及低成本的特點，正得到越來越多的應(yīng)用。根據(jù)這些特點，本文以TI公司的MSP430F1121單片機實現(xiàn)了一種類似于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，該芯片有14個雙向I/O口并兼有中斷功能，一個16位定時器兼有計數(shù)和定時功能。I/O口輸出高電平時電壓接近Vcc，低電平時接近Vss，因此，一個I/O口可以看作一位DAC，具有PWM功能。 該芯片具有一個內(nèi)置模擬電壓比較器，只須外接一只電阻和電容即可構(gòu)成一個類似于Σ-Δ技術(shù)的高精度單斜率A/D。一般而言，比較器在使用過程中會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；另一種是兩個輸入端電壓接近到一程度時，輸出端會產(chǎn)生振蕩。 MSP430F1121單片機在比較器兩輸入端對應(yīng)的單片機端口與片外輸入信號的連接線路保持不變的情況下，可通過軟件將比較器兩輸入端與對應(yīng)的單片機端口的連接線路交換，并同時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)過濾波后也不會出現(xiàn)輸出端的振蕩現(xiàn)象，從而消除了輸出端震蕩的問題。
利用內(nèi)置比較器實現(xiàn)高精度A/D
圖1是一個可直接使用的A/D轉(zhuǎn)換方案，該方案是一個高精度的積分型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，來維持Vout與Vin相等。圖1：利用MSP430F1121實現(xiàn)的實用A/D轉(zhuǎn)換器電路方案。