摘要：介紹一種基于AT89C1051/2051的低成本A/D轉(zhuǎn)換電路和方法。該電路采用通用、廉價(jià)的器件，利用線性鋸齒波和單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)獲得A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單。采用該方法除了能獲得較快的轉(zhuǎn)換速度以外，轉(zhuǎn)換的分辨率也可靈活設(shè)置，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

    關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換  線性鋸齒波  模擬比較器  AT89C1051/2051

    在低成本智能儀表的設(shè)計(jì)過(guò)程中優(yōu)先考慮的是成本問(wèn)題，作為核心部件的單片機(jī)通常選用低檔的8位機(jī)或4位機(jī)。就目前的情況而言，自帶A/D轉(zhuǎn)換的低檔單埏機(jī)價(jià)格昂貴，在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集要時(shí)往往通過(guò)外部A/D轉(zhuǎn)換器件，這在很大程度上增加了系統(tǒng)的成本。例如，目前AT89C2051單片機(jī)的零售價(jià)僅7～8元，而中速A/D轉(zhuǎn)換器件的價(jià)格大都在20元以上。本文介紹的低成本A/D轉(zhuǎn)換方法僅使用兩片通用、廉價(jià)的器件就能達(dá)到中速A/D轉(zhuǎn)換的速度和低于16位的轉(zhuǎn)換分辨率。

1 原理

    有一線性良好的鋸齒波信號(hào)，最大幅度為Vmax，正程（0～Vmax）的掃描時(shí)間為t2（如圖1中的直線OB），在正程掃描期間的某一時(shí)刻t所對(duì)應(yīng)的電壓Vt為Vmax（t/t2）。圖1中的曲線CD為一待測(cè)模擬信號(hào)，兩信號(hào)在A點(diǎn)相交，時(shí)間為t1，不難理解，線性鋸齒波在A點(diǎn)的幅度就是待測(cè)的模擬信號(hào)的大小，其值Vt1可以表示為：Vt1=Vmax（t1/t2）。這就是說(shuō)，可以采用一種方法將待測(cè)的模擬信號(hào)與線性鋸齒波進(jìn)行比較，當(dāng)線性鋸齒波在某一時(shí)刻的幅度超過(guò)待測(cè)模擬信號(hào)的幅度時(shí)就會(huì)引起比較器輸出狀態(tài)的改變。因此，測(cè)出比較器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間，就能通過(guò)計(jì)算得到待測(cè)模擬信號(hào)的大小。

2 電路及A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程

    圖2給出了具有8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換電路。圖中，IC1為AT89C2051單片機(jī)，其P1.0和P1.1除了具有通用I/O口線的功能外，還是內(nèi)部模擬比較器的同相輸入端和反相輸入端，比較器輸出的結(jié)果在內(nèi)部連接到P3.6。IC2和IC3為線性鋸齒波產(chǎn)生電路，其正程開(kāi)始掃描的時(shí)刻由單片機(jī)的P3.7控制。IC3為一雙輸入與非門(mén)緩沖驅(qū)動(dòng)器，這里等效為一個(gè)開(kāi)關(guān)。當(dāng)P3.7=0時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，C1通過(guò)R1、W1充電，線性鋸齒波開(kāi)始正程掃描，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)脈沖為單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘。待測(cè)的模擬信號(hào)從P1.1輸入，因?yàn)榫�性鋸齒波電壓是從0開(kāi)始線性遞增的，所以在開(kāi)始正程掃描的時(shí)刻，P3.6為0.當(dāng)鋸齒波的電壓線性遞增到超過(guò)待測(cè)模擬信號(hào)的電壓時(shí)， 比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，P3.6為1，此時(shí)定時(shí)器0的數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，也就是圖1中所示的t1，通過(guò)前面的公式就可以得到待測(cè)模擬電壓的值。其程序框圖如圖3所示。

3 線性鋸齒波電路參數(shù)的確定

    AT89C2051單片機(jī)的定時(shí)器0是一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，因此這種方法所能達(dá)到的最高分辨率為16位，在最高時(shí)鐘頻率下（24MHz）完成一次A/D轉(zhuǎn)換的最長(zhǎng)時(shí)間約為33ms。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中不一定使用這么高的分辨率，在8位分辨率的情況下完成一次A/D轉(zhuǎn)換的最長(zhǎng)時(shí)間為128μs。下面以8位分辨率為例介紹鋸齒波電路參數(shù)的確定方法。

    對(duì)于圖2電路，當(dāng)P3.7輸出為低時(shí)，鋸齒波正程掃描開(kāi)始，C1經(jīng)R1、W1充是，其電壓Vc1為：

    Vc1=Vcc×(1-e-(t/τ))

    其中τ=（R1+Rw1）C1

    如果運(yùn)放IC2：B將Vc1放大10倍，其輸出為：

    Vo1=[1+(R3/R2)]Vc1

    =10Vcc（1-e-(t/τ)）

    因?yàn)镮C2：B