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06-17
Σ-ΔA/D技术具有高分辨率、高线性度和低成本的特点。
本文基于TI的MSPF微控制器，介绍一种使用内置比较器和外围电路的类似Σ-Δ的高精度A/D实现方案，适用于温度、压力、电压等缓慢变化信号的采集。
在各种A/D转换器中，最常用的是逐次逼近法（SAR）A/D。
这类器件具有转换时间固定、快速的特点，但分辨率难以显着提高；积分型A/D D抗干扰能力强，但转换时间长；过采样Σ-ΔA/D由于其高分辨率、高线性度和低成本而得到越来越多的应用。
基于这些特点，本文采用TI的MSPF微控制器实现了类似于Σ-ΔA/D技术的高精度转换器解决方案。
MSPF是一款16位RISC结构FLASH微控制器。
该芯片有14个双向I/O端口和中断功能。
16位定时器兼具计数和计时功能。
当I/O口输出高电平时，电压接近VCC，当I/O口输出低电平时，电压接近Vss。
因此，一个I/O口可以看作一个具有PWM功能的DAC。
芯片内置模拟电压比较器，只需外接电阻和电容即可构成类似于Σ-Δ技术的高精度单斜率A/D。
一般来说，比较器在使用过程中会受到两个因素的影响。
一是比较器输入端偏置电压的积累；另一种是当两个输入端的电压接近一定水平时，输出端会产生振荡。
MSPF单片机可以通过软件交换比较器两个输入端与对应单片机端口之间的连接线，而比较器两个输入端与外部输入信号之间的连接线保持不变。
同时，比较器的输出极性发生改变，从而抵消了比较器输入端累积的失调电压。
通过在输出内部连接一个低通滤波器，即使比较器输入端的两个比较电压非常接近，经过滤波后输出端也不会出现振荡，从而消除了输出振荡的问题。
利用内置比较器实现高精度A/D 图1是可直接使用的A/D转换方案，该方案是高精度积分A/D转换器。
基本原理是使用单个I/O端口进行1位数模转换，并使用比较器的输出作为反馈来保持Vout和Vin相等。
图1 使用MSPF实现的实用A/D转换器电路 如图1所示，生成1位DAC的电路是通用I/O端口、串联电阻和电容。
Vout 是在电容器上产生的。
要维持Vout=Vin，必须通过I/O口对电容进行充放电，比较器的输出决定充放电（即I/O口输出高低电平），所以A /D形成一个类似于负反馈的闭环系统。
以图1电路为例，当比较器输出为高电平时，表示Vout>Vin。
此时，电容应放电，I/O口输出低电平；当比较器输出低电平时，表示Vout < Vin，应对电容充电，然后I/O口输出高电平。
确定充放电维持时间的方法是每隔很短且固定的时间t查询比较器的输出状态。
如果比较器的输出状态没有变化，则维持I/O口的输出；当比较器的输出状态改变时，I/O端口的输出状态也应该改变。
因此，I/O的某种状态（高/低电平）维持的时间可能为Xt（X为整数），从而在整个A/D过程中形成一系列X1，X2，...，Xi转换过程，…，Xn。
Xn是一个随机数，其值由比较器的输出状态决定。
每单位时间t后，如果I/O口输出高电平，则预设计数加1。
当A/D转换完成后，记录I/O口输出高电平的次数作为米。
A/D转换完成的时间主要取决于A/D转换的精度要求。
当需要12位A/D时，时间为t，即轮询比较器输出，每次查询的时间间隔为t（参考下面的程序和说明）。
同样16位A/D时间为5t。
这里，将对应的转换精度要求或5设置为N，综合以上，N=X1+X2+…Xn。
再结合电容器的充放电公式： V(t)=V(1-exp(-t/RC)) 积分A/可进行如下数学推论D 获取Out Vin。
N=X1+X2+…… Vout(t)=Vin+m(Vcc-Vin)(1-exp(-t/RC))-(N-m)Vin(1-exp(-t/RC) ) m(Vcc-Vin) (1-exp(-t/RC)) 是充电过程 (N-m)Vin(1-exp(-t/RC) 是放电过程 因此：Vin=Vcc×m/N (1) 上式成立的前提是Vin短时间内不发生变化，决定Vout的电容需要在启动前进行预充电。
A/D 转换，Vout = Vin，即通过 I/O 端口对电容进行预充电，使比较器在第一次翻转后开始积分 A/D 转换。
如果对式（1）进行一些处理。
，可以使A/D转换过程更加方便：若电源电压Vcc为3.0V，取N=，则分辨率为1mV，当m=时，Vin=1.V；若N=0，则分辨率为1mV。
分辨率为0.1mV，当m=6时，则Vin=1.V，这样只要确定m即可得到Vin的值，避免了直接使用式（1）带来的计算麻烦。
图2 使用比较器进行A/D转换的子程序代码 应用示例。
上面介绍的低成本A/D转换器方案适用于缓慢变化的电信号的采集，如温度、压力、光和电压等，结合芯片的低功耗特性，该方案适用于电池供电的便携式仪器。
。
采用图1所示电路可以构建一个简单的信号测量系统，使用HT作为LCD驱动器，四个I/O端口P1.0~P1.3控制HT。
测量结果可以直接看到。
该电路可组成12位以上分辨率的毫伏表 因此测量结果可放入FLASH存储器中，具有记忆和回放功能。
MSPF还有一个16位定时器，可以连接到I/O端口形成UART，用于发送测量结果并上传到PC。
可组成简单的低采样率存储示波器。
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