SPCE061A单片机在两次采样AD转换中的应用研究

2016-03-13中国船舶重工集团公司第七一五研究所

电子世界 2016年2期

中国船舶重工集团公司第七一五研究所　刘　斌

中国船舶重工集团公司第七一五研究所刘斌

【摘要】AD转换是测量工作当中的一个重要的环节，在转换过程中，为了确保转换效果达到高精度的要求，通常选择的AD转换器都具有较高的位数，因而会提升测量成本。而采用SPCE061A单片机，可以实现利用普通AD转换器，使AD转换的精度满足要求。基于两次采样的原理，对一个模拟量进行两次转换，就能够得到高精度的要求。这种方法设备要求较低，能够极大的节省测量成本。

【关键词】SPCE061A单片机；两次采样AD转换；应用研究

0　前言

在信息时代背景下，AD转换逐渐成为测量领域中一项必不可少的重要工作。在测量精度方面，普通的AD转换器无法达到实际的测量精度需求，而精度较高的AD转换器成本较高，难以得到推广和普及。因此，在这一领域中，人们一直致力于研究如何采用成本较低的普通AD转换器，来实现高精度的测量。利用两次采样技术，能够使低成本的AD转换器同样达到高精度的要求。例如使用SPCE061A单片机，通过两次采样AD转换，就能够达到这一目的。

1　SPCE061A单片机

SPCE061A单片机是一种微控制器，具有16位结构，目前，应用该单片机制作融合了仿真与开发的实验板较为常见，也就是61板。利用61板，能够直接实现在线仿真，无需另外应用仿真器。在SPCE061A单片机当中，集成的FLASH为32K字、SRAM为2K字、定时计数器为双16位、模数转换器为7通道10位、数模转换器为2通道10位。同时包含有音频输入和输出端口、串行通信口、复位、低压检测等部分[1]。在当前各个相关领域当中，SPCE061A单片机的应用，都发挥出了十分良好的性能和效果，因而，可利用其内部的AD和DA资源，通过两次采样实现AD转换的高精度要求。

2　两次采样工作原理

两次采样AD转换又叫做动态刻度扩展方法，这种方法主要是对被测电压，首先利用的精度的AD转换器进行一次粗测，然后对粗测过程中产生的误差值进行精确的测量。对两次测量得出的结果进行加权相加或加权相减，最终得出的测量结果就能够满足实际测量的精度要求。在实际操作过程中，被测数据进入之后，开始进行第一次采样，此时DAC会的输出结果为0，在1倍前置放大器条件下，将被测数据传输到ADC。在第一次测量结果当中，应用转换的数据，并对本次转换的电压进行记录[2]。然后在第二次采样的过程中，DAC的输出值即为第一次转换时的电压，在前置放大器中输入的电压，就是第一次采样过程中产生的误差值。然后改变前置放大器的倍数，设定为128倍，ADC当中得到的电压即为第一次采样误差的128倍。在第二次测量结果中，应用此次测量的数据，就完成了两侧采样的过程，最终的结果就是两次测量值的总和除以128。

3　SPCE061A单片机两次采样AD转换

3.1硬件

在利用SPCE061A单片机进行两次采样的过程中，需要应用到前置放大器、数模转换器、显示器、数据处理、模数转换器等部分。而在SPCE061A单片机当中，具有除了显示器、前置放大器以外的所有部分。因此，SPCE061A单片机在两次采样AD转换的应用当中，只需要添加一个外部数码管显示器和前置放大器，就能够完成两次采样AD转换工作。在SPCE061A单片机当中，拥有10位的AD转换器，在0V到5V的模拟电压范围内进行转换，能够达到0.005V左右的分辨能力[3]。然而，在一些实际的测量工作当中，这种分辨能力和测量精度无法满足实际需求。因此，基于这一分辨能力，如果能够将其提升128倍，就能够达到0.00004V的分辨能力。这一测量精度已经能够等同于16位或17位的AD转换器，因而基本上能够满足很多测量工作对精度的要求。为了在软件计算的过程中避免出现误差，因而扩大倍数选择了128倍这一数值。

系统输入控制电路当中，具有比较简单的外部电路，仅仅包含一个模拟开关、一个运算放大器。采用了CD4051模拟开关，并且利用运算放大器构成差动的放大器，以此来控制输入电压的走向。利用这一电路，能够确保误差电压、被测电压顺利的输入到AD转换器当中。在这一电路中，运算放大器除了发挥出放大作用以外，同时对于被测电压、第一次转换电压之间，还需要利用运算放大器进行求差的运算。在电路运作的过程中，如果模拟开关选通相应的位置，被测电压将会输送到运算放大器的相应脚，根据运放的叠加原理、虚断原理等，就能够得出反向输入端和同相输入端的电压值。另外再根据虚短原理，能够最终求得输电压。然后对电路当中的电阻值进行调整，从而实现了两个电压之间差值的求解及放大。

3.2软件

利用SPCE061A单片机实现两次采样AD转换，应当对系统工作过程进行科学、有效的程序控制。在实际应用中，主要运用了两次采样过程的控制程序，包括数据显示、数据处理、数据计算等。在程序开始之后，首先打开模拟开关1通道，并将AD转换器1启动；然后打开模拟开关2通道，并启动AD转换器2；在D2中存入转换值，并将该值缩小128倍；将D1和D2相加，并对电压值进行计算，最后输送到显示器当中进行结果显示[4]。在这一过程中，为了使转换结果的精度得到提升，在对静止电压信号进行测量的过程中，可以进行多次测量，并将计算得出的平均值最为测量结果，以此实现对误差的有效控制。而如果对变化较快的电压进行测量，就只能够进行一次测量。利用相应的软件程序完成转换过程，同时对系统当中数模转换器、模数转换器之间工作配合情况的控制，并在完成两次采样之后，对最终的测量结果进行计算和给出。