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        恒磁式電磁流量計A/D轉換電路的實現

        時間:2020-02-28

        恒磁式電磁流量計A/D轉換電路的實現:

           從放大濾波電路中得到的信號為模擬電壓信號,但是單片機只能處理數字信號,所以必須用A/D轉換器(簡稱ADC)組成模數轉換電路將模擬信號轉換為數字信號。因而,ADC的選擇非常重要。其主要性能指標包括分辨率、轉換速度、轉換精度等。

           按照工作原理,ADC主要包括逐次逼近式、并行比較、v/F轉換、雙積分式和Σ.△幾種類型。

           逐次逼近型模數轉換器采樣速率不高,輸入帶寬也較低,它的優點是原理簡單,便于實現,不存在延遲問題,適用于中速率而分辨率要求較高的場合。并行比較A/D轉換器是現今速度最快的模數轉換器,其采樣速率在1GSPS 以上,通常稱為“閃爍式”AD轉換器。其優點是轉換速度最高,缺點是分辨率低,一般在10位以下;功耗大,需要的比較器的數目多,電路復雜,成本高。、忭轉換器也即電壓/頻率式模數轉換器,它是把模擬電壓信號轉換成頻率信號的器件,內部電路的積分電容如果漏電流大,將會直接影響轉換精度,因此要選擇漏電流小的電容。

           雙積分型A/D轉換器又稱為雙斜率或多斜率ADC,它是應用比較廣泛的一類轉換器。由于輸入端采用了積分器,所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數倍,可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小,從而有效地抑制電網的工頻干擾。這類ADC主要應用于低速、精密測量等領域,如數字電壓表。其優點是分辨率高,可達到22位甚至更高;功耗低、成本低;缺點是轉換速率低,轉換速率在12位時為100~300SPS。

          3.3.1Σ.△原理

           Σ.△型A/D轉換器又稱為過采樣轉換器,它由簡單的模擬電路(也即Σ. △調制器)和十分復雜的數字信號處理電路構成【32】,其工作原理如圖3.7所示。調制器的結構近似于雙斜率模數轉換器,包括差分放大器、積分器、比較器和一個數模轉換器的反饋回路,這個內置的數模轉換器相當于一個開關,它將積分器輸入切換到一個正或負的參考電壓。Σ.△型模數轉換器還包括一個時鐘單元,為調制器和數字濾波器提供統一的時鐘。窄帶信號送入Σ.△型數模轉換器后被以非常低的分辨率(一位)進行量化,但采樣頻率非常高。經過數字濾波處理后,采樣頻率被降低到一個比較低的采樣率,同時,模數轉換器的分辨率被提高到16位甚至更高。

           目前最高精度的AD轉換器都是采用Σ.△調制。Σ.△調制本質上采用負反饋方式逐步減小輸入模擬與DA反饋輸出的差值,但它們的差值不是直接加到比較器上,而是通過一個積分器后再送到比較器。同時,積分器可以看作是低通濾波器,對噪聲有.6dB的抑制能力。積分器的輸出用1位ADC來轉換,然后比較器將輸出數字1和0的位碼。DAC將比較器的輸出轉換為數字波形,回饋給差分放大器。

           因為與積分器輸出比較的基準信號是地電平,所以它比常規的逐次逼近式ADC性能更好。

           當然,Σ.△型ADC也有一些缺點。例如:現在的Σ.△型ADC的采樣速率受帶寬和有效采樣速率的限制,因而,采樣速度較低,使其不能用于圖像視頻等高頻場合;由于數字濾波器需要較長的建立時間,所以它很難用于具有多通道的多路轉換器的模數轉換場合;此外,輸入信號超過Σ.△型ADC允許范圍可能會引起其內部調制器的飽和。

            盡管有這些缺點,它仍以其分辨率高、線性度好、成本低等突出優點得到越來越廣泛的應用,特別是在既有模擬又有數字的混合信號處理場合,它很適合于低速轉換的應用場合。

           從信號的變化速度、儀表的低功耗和測量結果的高精度等角度考慮,本課題采用了TI公司的模數轉換器ADSlll2t33】,它是一款16位的帶有自動校正的Σ. △型低功耗精密模數轉換器,內置2.048V基準電壓,其供電電壓范圍為2.7~ 5.5V。其主要特性表現在低功耗和高精度。溫漂范圍為5ppm/*C,正常供電電流為240 u A,特別適合于高分辨率、低功耗的測量儀表。ADSlll2由一個可編程增益放大器(最大增益為8),Σ.△模數轉換核、內部電壓基準,時鐘發生器和12C接口組成,有兩個差分輸入或三個單端輸入通道。

           3.3.2  I2C總線簡介

           IzC(Inter--Integrated Circuit)總線是由PHILIPS公司于80年代開發的一種兩線制雙向串行接口總線,用于連接微控制器及其外圍設備。最初為音頻和視頻設備開發,如今已廣泛應用于串行通信場合【蚓。

           目前,很多半導體集成電路內部都集成了12c接口。帶有Pc接口的單片機有CYGNAL的C8051F系列,PHILIPS系列,MICROCHIP的PIC系列等。很多外圍器件如E2PROM、鐵電存儲器、A/D轉換器、D/A轉換器、LCD驅動器和溫度傳感器等也提供12c接口。

          12c總線上的通信通常發生在兩個器件之間,其中一個作為主機,另一個為從機。主機和從機都能讀和寫,但是,從機只能根據主機的方向工作。一些i2c 器件既可作為主機又可作為從機。

          一、12c總線135 o的工作原理及特點

          Izc總線是由串行數據線SDA(SerialDataLine)和串行時鐘線SCL(Scrim Clock Line)構成的串行總線,兩者均可雙向傳輸,用于發送和接收數據。在CPU 與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送時,串行的8位雙向數據傳輸速率在標準模式下可以達到lOOkbiffs,快速模式下可達到400kbiVs。各種被控制電路均并聯在這條總線上,但就像電話機一樣,只有撥通各自的號碼才能工作。所以每個從機都有唯一的地址,雖然各個模塊掛在同一條總線上,但它們彼此獨立, 互不相關。

           i2c總線主要用于主/從雙向通信。發送數據到總線上的器件,被定義為發送器,從總線上接收數據的器件則被定義為接收器。主器件和從器件都可以工作于接受和發送狀態。當主器件從從器件中讀取數據時,從器件驅動數據線SDA; 當主器件向從器件發送數據時,從器件驅動數據線SDA。

           但是,總線必須由主器件(通常為微控制器)控制,主器件產生串行時鐘(SCL),控制總線的傳輸方向,并產生起始和停止條件,任何時候只能有一個主器件。從器件是被主器件尋址的器件。

          12C總線在傳送數據過程中共有三種類型信號,它們分別是:啟動信號、結束信號和應答信號。無論是讀還是寫的時序內,都涉及到這三種信號的操作。

          二、12c總線上數據的傳輸

           12c總線的數據傳輸格式:主機發出啟動信號START,然后發送從機的地址和讀/寫控制為R/W,從機接收到地址后,與自身的地址相比較,返回一個應答信號ACK(若地址匹配,ACK為低電平;否則地址不匹配,ACK為高電平), 這就是主機和從機之間的握手過程。

           握手成功后,主機和從機將進行數據交換,其交換方向取決于讀/寫控制位(R/W=1時,主機接收,從機發送;R/W=O時,主機發送,從機接收)。每發送完一個字節,接收器發回一個應答信號ACK。當數據通信結束,由主機發回結束信號STOP,終止12C總線通信。

          3.3.3 ADSll 12與單片機的12C通信實現

          12C總線驅動器是漏極開路驅動器,因此在SCL和SDA線上都要加上拉電阻,這些電阻的大小取決于總線的工作速度和總線電容。阻值較高的電阻功耗較低,但它會延長總線的轉換時間,限制總線速度;阻值較低的電阻允許總線高速運轉,但是它的功耗較高。實際工作時候,上拉電阻一般選擇I~10K的典型值。單片機PICl8LF2420和模數轉換器ADSlll2通信時,PICl8LF2420是主機, ADSlll2是從機。電路連接方式如圖3.8所示??紤]到ADSlll2的輸入阻抗很低(2.8M/PGA),因而,在信號輸入AD轉換器之前接入射極跟隨器。以提高輸入阻抗.

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