一种高、低成本A/D转换器的设计和实现

    近年来，国外对高速A/D转换器的研究为活跃，并在基本的Flash结构上出现了一些改进结构[2],如分区式分级（Subranging）电路结构（如half-flash结构、Pipelined、Multistage结构、Multistep结构）。实际上，他们是由多个Flash电路结构与其他功能电路采用不同形式的组合而成的电路结构，这种结构可弥补基本Flash电路结构的缺陷，是实现高速、高分辨率A/D转换器的优良电路设计技术，这种结构在逐步取代历史悠久的SAR和积分型结构，另外还有一类每级一位（bit-per-stage）电路结构，在它的基础上进一步改进，就得到一种称为Folding（折叠式）的电路结构（又称为Mag Amps结构）这是一种Gray码串行输出结构，这些电路设计技术为高速、高分辨率，高性能A/D转换器的发展起到了积极的推动作用。另外，在高分辨率A/D转换器电路设计技术中，Σ-Δ电路结构是目前很流行的一种电路设计技术，这种电路结构不仅在高分辨低速或中速A/D转换器方面将逐步取代SAR和积分型电路结构，而且这种结构同流水线结构相结合，有望实现更高分辨率、和更高速的A/D转换器。

    1 80C196简介

    80C196是INTEL公司推出的一种准16位单片机系列，常见的型号有80C196KB、80C196KC、80C196KT等，本文选用了80Cl96KB,与其他通用的单片机相比，80C196KB主要有以下特点：（1）片上232字节的寄存器兼有RAM和累加器的功能，克服了面向累加器引起的瓶颈问题，提高了执行效率；（2）具有8通道10位A/D转换器（逐次逼近型），特别适合于智能仪表、控制系统等应用领域；（3）脉宽调制输出器PWM,PWM信号经过积分就可以获得直流输出，可作为D/A转换器使用，D/A转换器的分辨率为8位；（4）高速输入/输出器（HSI/HSC）），HSI/HSO特别适合于测量和产生分辨力高达2us的脉冲；（5）16为监视定时器（WDT），即看门狗，有软硬件故障时，WDT将使系统复位，提供了一种软硬件故障的恢复能力；（6）可动态配置的总线，在运行过程中，80C196KB总线可以动态地配置成8位或16位，以便适应对外部存储器进行字节操作或字操作的不同需求。

    80C196的特点决定了它很适合应用于自动化仪表与控制，自带的A/D可以方便的进行数据采集，PWM可以输出D/A信号，WDT保证了运行的可靠性，HIS/HSO方便脉冲信号的测量与产生。80C196KB共有68管脚，采用PLCC型封装，其管脚图如图1所示。

    2 A/D转换的硬件实现

    利用80C196KB自带的10位A/D转换器和PWM输出，实现高A/D转换的原理如下：假设传感器提供的信号为Vs,经放大后提供给A/D转换器信号为As,A/D转换的结果为Rd,A/D转换的舍入误差为Ed,对于逐次逼近式A/D转换有0≤Ed

    图中，运算放大器H1和H2构成了差分放大器，H1和H2应选用性能较好的运算放大器，该电路具有极高的共模抑制比，传感器信号Vs经过差分放大器放大后得到As,As连接到80C196KB的0号A/D通道输入口ACH0,A/D转换后得到高8位数字量；80C196KB的PWM输出信号经过U2与E2构成的滤波器滤波后，得到直流信号Rd,这就是80C196KB通过PWM进行D/A转换的典型电路；运算放大器H3构成的电路实现Es×28,该信号连接到80C196KB的1号A/D通道输入口ACH1,完成Es的A/D转换，得到低位数字量。通过软件合并高位数字量和低位数字量即可实现高A/D转换。

    3 A/D转换的软件实现

    为保证实时性，A/D转换的软件通过中断方式实现，首先主程序在初始化中设定定时器和A/D中断工作模式，定时器中断到来时启动0通道A/D转换。A/D中断时，判断A/D的通道号，当0通道ACH0中断时，读取并保存A/D结果的高8位，通过PWM输出该结果，然后启动下l通道ACHl的A/D转换；当ACHl中断时，读取A/D转换结果并与高8位合并，得到终结果。

    当采用12MHz晶振时，80C196KB的A/D转换时间为22us,PWM输出周期是64us,PWM信号输出后，为使D/A结果稳定后再启动ACHl,延时了3倍PWM周期，整个A/D转换时间（包括A/D转换时间和软件运行时间）可以在1ms内完成。A/D中断服务程序的流程框图如图3所示。初始化程序和定时器中断服务程序较简单，流程图略。

    4 结束语

    利用80C196KB单片机的内置10位A/D转换器和PWM信号，辅以简单的放大电路和滤波电路实现模数转换。这种方法成本低、高、速度快、容易实现，具有较高的实用价值。该A/D转换方法在我单位研制的全自动数控对刀仪上得到成功应用。