高精度两次采样AD转换_马艳玲

由图可知， 被测量 进入后， 开始第一次采样， 第一次采样 时 数 模 转 换 器（ＤＡＣ）输 出 ＶＤＡ 为 ０， 前 置 放 大 器×１， 则 被 测 量 直 接给到模数转换器（ＡＤＣ）， 转 换 的数 据 Ｎ１ 放 到第 一 次 测量 结 果 中， 这次转换的电压我们记为 Ｖ１。接下来进行第二次采样， 这时 将数模转换器（ＤＡＣ）输出的 ＶＤＡ 为刚才转换的电压 ， 则 输 入到 前置放大器的电压为 ＝ － ， 既第一次采样时的误差， 这时 将 前置 放 大 器改 成×１２８， 则 送到 模 数 转 换 器 （ＡＤＣ） 的 电 压 为 １２８ ， 这 次将 测 量 的数 据 Ｎ２ 放 到第 二 次 测 量 结 果 中 。 这 样 ， 两次采样结束， 总的结果为 Ｎ１＋Ｎ２／１２８。
图 ３ 前向通道电路图
整个系统的输入控制电路如图 ３ 所示， 外部电路比较简
单， 主要就是一个运算放大器和 一个模拟开关组成， 运算放大
器 组 成 了差 动 放 大器 ， 模 拟 开关 选 取 了 ＣＤ４０５１， 来 实 现 对 输 入
电 压走 向 的 控制 ， 通 过 它 可 使 给 入 ＡＤ 转 换 的 电 压 是 被 测 电 压
ＭＡ Ｙａｎ－ｌｉｎｇ ＺＨＡＯ Ｚｈａｎ－ｍｉｎ ＬＩ Ｍｉｎｇ－ｌｉａｎｇ
摘要： ＡＤ 转 换 是 测 量 中 一 个 非 常 重 要 的 部 分 ， 为 了 达 到 精 度 比 较 高 的 转 换 效 果 ， 人 们 往 往 选 择 位 数 较 高 的 ＡＤ 转 换 器 ， 这 样 容 易 造 成 电 路 的 成 本 过 高 。本 文 就 介 绍 一 种 如 何 利 用 普 通 的 ＡＤ 转 换 器 来 实 现 高 精 度 的 ＡＤ 转 换 ， 它 利 用 两 次 采 样 的 原 理 ， 通 过 一 个 模 拟 量 进 行 两 次 转 换 ， 从 而 实 现 高 精 度 。此 转 换 器 所 需 元 件 比 较 简 单 ， 主 要 由 一 个 凌 阳 ＳＰＣＥ０６１Ａ 单 片 机 和 一 些 普 通 的 选 通 、运 放 电 路 组 成 ， 文 章 从 硬 件 电 路 的 组 成 和 软 件 程 序 的 编 写 两 个 方 面 来 进 行 说 明 ， 清 晰 的 介 绍 了 如 何 来 实 现 高 精 度转换的功能。
的计算、处理和显示等。程序流程图如图 ４ 所示。
在软件的工作过程中， 为了得到更精确的转换， 我们可以 在测量静止电压信号的时候， 采取测量多次并取平均值的方 法， 来减小误差的影响。测量变化较快的电压信号时， 就只能一 次测量结束了。
转换过程中主要程序如下：
＊Ｐ＿ＡＤＣ＿ＭＵＸ＿Ｃｔｒｌ＝Ｃ＿ＡＤＣ＿ＣＨ１； ／／初始化 ＡＤ 通道 １ ＊Ｐ＿ＡＤＣ＿Ｃｔｒｌ＝Ｃ＿ＡＤＣＥ； ｕｉＤａｔａ１＝＊Ｐ＿ＡＤＣ＿ＬＩＮＥＩＮ＿Ｄａｔａ； ｕｉＤａｔａ１＝０； ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜１６；１＋＋）／／进 行 十 六 次 转 换 取 平 均 值 ｛ ＊Ｐ＿ＷａｔｃｈＤｏｇ＿Ｃｌｅａｒ＝Ｃ＿ＷＤＴＣＬＲ；／／清狗 ｕｉＤａｔａ１＋＝ＡＤ（）；／／累 加 转 换 值 ｝ ｕｉＤａｔａ１＞＞＝４；／／求 平 均
新
１ 凌阳 ＳＰＣＥ０６１Ａ 单片 机简介
ＳＰＣＥ０６１Ａ 是凌阳公司 推 出 的一 个 １６ 位 结构 的 微 控制 器 ， 内 部 集 成 有 ３２Ｋ 字 ＦＬＡＳＨ， ２Ｋ 字 ＳＲＡＭ， 双 １６ 位 的 定 时／计 数 器， ７ 通道 １０ 位的模数转换器和双通道的 １０ 位的数 模 转换 器 ， 并有音频输入输出端口， ３２ 个输入输出端口， 串行通信 口， 低 压 检测和复位等。ＳＰＣＥ０６１Ａ 单片 机 以它 的 优 异性 能 正 在越 来 越 多的应用到许多领 域， 本 文 就 来介 绍 如 何利 用 其 内部 的 Ａ／Ｄ 和 Ｄ／Ａ 资源来实现两次采样的高精度 ＡＤ 转换。
电路质量好的话， 还可以达到更高。
本文 作 者创 新 点： 利用 两 次 采样 的 原 理， 使 用 普 通的 Ａ／Ｄ
转换器实现高精度 Ａ／Ｄ 转换。
项目经济效益 ３０ 万元。
参考文献
［１］赵战民等，利用 ＳＰＣＥ０６１Ａ 单片机实现的两次采样 ＡＤ 转换，
科学技术与工程，２００７，１２。
［２］薛钧义等，凌阳十六位单片机原理及应用，北京航空航天大
技 或者误差电压。运算放大器在这里不仅起到放大的作用， 还要
实现对 被 测量 和 第 一次 转 换 的电 压 ＶＤＡＣ 求 差的 运 算 ， 具体
术 情况为：
当 ＣＤ４０５１ 选通 ０ 时， 被测量 送到运 算 放大 器 的 ３ 脚， 既
创 “＋”输入端， 这时候， 由运放的“虚断”原理和叠加原理可得：
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００８）０５－ ２－ ０３１１－ ０２
电子设计
高精度两次采样 ＡＤ 转换
Ｒｅ ａ ｌｉｚｅ ｔｗ ｉｃｅ ｓ ａ ｍ ｐ ｌｅ ＡＤ ｃｏ ｎ ｖｅ ｒｓ ｉｏ ｎ
（１．石家庄经济学院； ２．北京交通大学） 马 艳 玲 １， ２ 赵 战 民 １ 李 明 亮 １
ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ， ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ． Ｗｉｔｈ ｔｗｉｃｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｔｈｅｏｒｙ， ａｎ ａｎａｌｏｇ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｔｗｉｃｅ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ
术 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．
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＡＤ ｃｏｎｖｅｒ ｓｉｏｎ； ｈｉｇｈ ｐｒ ｅｃｉｓｉｏｎ； ｔｗｉｃｅ ｓａｍｐｌｅ； ｅｌｅｍｅｎｔｓ
３ 用 ＳＰＣＥ０６１Ａ 单 片 机 实 现 两 次 采 样的模数转换
１、硬件部分。由图 １ 可以看出， 要实现两次采样， 主要的部 分为 前 置放 大 器 、模数 转 换 器、数 模 转 换器 、数 据 处理 部 分 和 显 示部分， 而这些部分除了前置放大器外和显示部分外， ＳＰＣＥ０６１Ａ 单片机里面全有 ， 所 以， 我 们 只 需在 做 一 个外 部 的 前 置 放 大 器 和 数 码 管 显 示 就 可 以 很 容 易 的 实 现 两 次 采 样 的 ＡＤ 转换了。硬件结构如图 ２。
新
反相输入端端电压为： 而同相输入端的电压为：
由 运 放 的 “虚 短 ”可 得 ：
， 再使电路中的
、
，
整理上面关系可得：
，
调整电路中的电阻， 使
， 则电路既实现了对两个
电压的求差， 还对差值进行了 １２８ 倍的放大。
２、软件 部 分。程 序 主 要完 成 对 两次 采 样 过程 的 控 制 ， 数 据
＊Ｐ＿ＡＤＣ＿ＭＵＸ＿Ｃｔｒｌ＝Ｃ＿ＡＤＣ＿ＣＨ２；／／初始化 ＡＤ 通道 ２ ＊Ｐ＿ＡＤＣ＿Ｃｔｒｌ＝Ｃ＿ＡＤＣＥ； ｕｉＤａｔａ２＝＊Ｐ＿ＡＤＣ＿ＬＩＮＥＩＮ＿Ｄａｔａ； ｕｉＤａｔａ２＝０； ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜１６；１＋＋） ｛ ＊Ｐ＿ＷａｔｃｈＤｏｇ＿Ｃｌｅａｒ＝Ｃ＿ＷＤＴＣＬＲ； ｕｉＤａｔａ２＋＝ＡＤ（）； ｝ ｕｉＤａｔａ２＞＞＝４；／／取 平 均 ｕｉＤａｔａ２＞＞＝６；／／缩小 ６４ 倍
马艳玲： 助教
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ５－２ 期
ＳＰＣＥ０６１Ａ 单片 机 的 ＡＤ 转 换 器 是 １０ 位 的 ， 如 果 我 们 要 转 换 的 模 拟 电 压 范 围 为 ０￣５Ｖ， 则 分 辨 力 能 达 到 ５／２１０Ｖ， 约 为 ０．００５Ｖ（５ｍＶ）， 显 然 在 一 些 测 量 中 是 不 够 的 ， 如 果 使 分 辨 力 提 高 １２８ 倍 ， 达 到 ０．００００４Ｖ（０．０４ｍＶ）， 已 经 是 相 当 高 的 精 度 了 ， 相 当 于 １６ 到 １７ 位的 ＡＤ 转换器。这里之所以选择 １２８ 倍， 是为了在 软件计算时更加容易， 不出现误差。
ｆＶｏｌｔａｇｅ１＝（ｆｌｏａｔ）ｕｉＤａｔａ１／０ｘｆｆｃ０＊３．３；／／计 算 第 一 次 电 压 转 换 值 ＡＳＭ（＂ｉｎｔ ｏｆｆ＂）；
＊Ｐ＿ＤＡＣ＿Ｃｔｒｌ＝Ｃ＿ＤＡ１＿Ｄｉｒｅｃｔ；／／初始化 ＤＡ 转换通道 １ ＊Ｐ＿ＤＡＣ１＝ｕｉＤａｔａ１；／／ＤＡ 转换 ｆｏｒ（ｉ＝０；ｉ＜３０００；１＋＋）／／延 时 ＊Ｐ＿ＷａｔｃｈＤｏｇ＿Ｃｌｅａｒ＝Ｃ＿ＷＤＴＣＬＲ；
ｆＶｏｌｔａｇｅ２＝（ｆｌｏａｔ）ｕｉＤａｔａ２／０ｘｆｆｃ０＊３．３；／／计 算 电 压 值 ｆＶｏｌｔａｇｅ＝ｆＶｏｌｔａｇｅ１＋ｆＶｏｌｔａｇｅ２；／／两 次 电 压 值 求 和
以上程序描述了如何控制系统中的如何控制内部的模数
和数模转换器进行相互配合工作， 以及采样结束后如何计算出 最终的测量值， 显示和其他方面的程序比较简单， 在这里就不 列举了。
创
引言
在 测 量 领 域 中 ， 随 着 大 规 模 数 字 时 代 的 到 来 ， ＡＤ（模 数）转 换已经成为一个非常重要的部分。普通的 ＡＤ 转换器因测量精 度较 低 而不 能 满 足 测 量 的 要 求 ， 而 高 精 度 的 ＡＤ 转 换 器 价 格 昂 贵 ， 不 易 推 广 ， 所 以 用 简 单 便 宜 的 ＡＤ 转 换 实 现 高 精 度 的 测 量 是 一 个 解 决 矛 盾 的 最 好 办 法 。两 次 采 样 技 术 就 是 利 用 低 精 度 的 ＡＤ 转换器实现 高 精 度的 转 换 ， 它实 现 方 法简 单 ， 对 元件 的 要 求 不高， 应用范围非常广泛。下面就介绍一种利用凌阳公司的 ＳＰＣＥ０６１Ａ 单片机来实现的两次采样 ＡＤ 转换。