基于MSP430单片机构成双积分型AD转换器的原理及实现方法

　　摘要：主要介绍以MSP430单片机为主控芯片，使用模拟开关、电压基准以及集成运放构成双积分型AD转换器并将结果通过LCD进行显示的原理及实现方法，给出了对应的电路图和程序框图。
　　关键词：双积分；AD转换器；MSP430；模拟开关；电压基准
　　中图分类号：TH867+.91文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)14-3449-02
　　1 双积分型AD转换器
　　积分型AD转换器的工作原理是将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率，但缺点是由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速率较低。双积分型AD转换器是积分型AD转换器的一种，图1给出了双积分型AD转换器原理框图。
　　当进行AD转换前，先将计数器清零，并接通S0使电容C完全放电。转换开始后，一定要断开S0。整个转换过程分两阶段进行。
　　1) 第一阶段，对待测电压做固定时间的积分
　　令开关S1置于输入信号UI一侧。积分器对UI进行固定时间T1的积分。积分结束时积分器的输出电压为：
　　(1)
　　可见积分器的输出UO1与UI成正比。这一过程称为转换电路对输入模拟电压的采样过程。在采样开始时，逻辑控制电路将计数门打开，计数器计数。当计数器达到N1时，这个时间正好等于固定的积分时间T1。此时给出一个脉冲使控制逻辑电路发出信号，令开关S1转换至参考电压-VREF一侧，同时计数器清零，采样阶段结束。
　　2) 第二阶段，对参考电压固定速率积分
　　采样阶段结束时，一方面因参考电压-VREF的极性与UI相反，积分器向相反方向积分。计数器由0开始计数，经过T2时间，积分器输出电压回升为零，过零比较器输出低电平，关闭计数门，计数器停止计数，此时计数器值为N2。
　　同时通过逻辑控制电路使开关S1与UI相接，重复第一步。双积分型AD转换器输出波形如图2所示。
　　分析双积分型AD工作原理及波形可以得到：
　　 (2)
　　根据N1、N2与T1、T2的关系，最终可得：
　　 (3)
　　双积分型AD转换器因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它突出优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强；由公式分析可以看出，只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，计数器的计数结果与RC无关，所以，该电路对RC精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。
　　2 MSP430单片机
　　MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。
　　本文介绍的AD转换器电路使用的是MSP430F4270，其框图如图3所示。
　　MSP430F4270内部自带了液晶显示驱动控制器，最多可以配置为56个笔段的显示。
　　3 双积分型AD转换器的实现
　　根据实际要求，本文所需要实现的AD转换器的量程为10～250mV。根据图1所示的原理框图可知在双积分型AD转换器中需要：电压基准（-VREF）、模拟开关、积分电路、过零比较器电路及计数器等。其中计数、电路控制以及显示功能全部由MSP430F4270实现。
　　3.1 电压基准
　　本文选用了德州仪器公司（TI）的TL431以及集成运放来实现-300mV电压基准，如图4所示。
　　从图中可以看出：
　　用TL431产生+3V电压将+3V电压反向缩小十分之一，得到-300mV参考电压
　　3.2 积分与过零比较器电路
　　积分与过零比较器电路使用通用运放实现，如图5所示。
　　比较器的输出使用74HC14进行电压调理后接到MSP430F4270的P1.7口进行中断处理。
　　3.3 模拟开关电路
　　CD4052是差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。模拟开关电路如图6所示。CD4052的A、B两个控制端分别接MSP430F4270的P1.0和P1.1口。
　　4 双积分型AD转换器的程序实现
　　由前文的分析可知双积分型AD转换器的工作过程主要分为两个阶段：对待测电压做固定时间的积分和对参考电压做固定速率积分。在转换工作前，还需要对积分电容进行充分放电。
　　由于MSP430F4270是主控芯片，所以还要对MSP430F4270进行初始化，主要包括：IO端口的初始化、定时计数器1的初始化、液晶显示的初始化以及中断响应的初始化。
　　进行测试时，对每组电压值都进行多次测量取平均值的方法来提高测量精度。程序流程图如图7所示。
　　在实际使用中，经与标准表对比，发现存在误差，且误差基本是线性的，即在10mV左右最小，在250mV最大。因此要对测量值进行误差补偿。
　　5 结论
　　双积分型AD转换器的原理及实现方法都是比较简单的，可以方便的应用于MSP430构成的各种应用系统中。但是本电路是以时间换取分辨率，因此不适用于高速的测量。
　　参考文献：
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