基于片上ADC／DAC實(shí)現(xiàn)精度可調(diào)ADC的方法

摘要: 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于成本限制和系統(tǒng)其他模塊功能要求，系統(tǒng)中MCU的ADC精度有時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足系統(tǒng)測(cè)量精度要求。基于上述原因，提出一種利用MCU自帶的10位ADC和DAC，結(jié)合運(yùn)放、電容、電阻等元件搭建的外圍硬件電路，實(shí)現(xiàn)將MCU自帶的ADC轉(zhuǎn)換為精度可調(diào)的ADC。軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)校正方法減小由硬件導(dǎo)致的ADC測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10～20位精度可調(diào)的ADC，測(cè)量精度最高可提高1 024倍，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)情況下的測(cè)量精度要求。

　　某系統(tǒng)的A／D模塊需實(shí)現(xiàn)檢測(cè)輸入電壓值，變化范圍為0～58 V。主芯片選用NXP公司的ARM7系列的LPC2368，片上自帶10位ADC和DAC，ADC測(cè)量輸入電壓范圍是0～3 V，而DAC的范圍是0～3 V。傳統(tǒng)方法是直接將輸入電壓送入ADC法滿(mǎn)足精度要求，但輸入電壓的變化范圍大于ADC的輸入電壓范圍。基于此，這里給出一種利用MCU自帶ADC和DAC，并結(jié)合運(yùn)放、電容、電阻等元件搭建外圍硬件電路，實(shí)現(xiàn)10～20位測(cè)量精度可調(diào)的ADC的方法。

　　1 高精度ADC設(shè)計(jì)原理

　　輸入電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓產(chǎn)生電壓U入，送入由運(yùn)放和電阻組成的減法運(yùn)算電路的同相端，分壓的原因是輸入電壓最大值大于運(yùn)放的最大輸入電壓。MCU的DAC輸出經(jīng)過(guò)同相比例運(yùn)算電路放大之后產(chǎn)生與U入相近的電壓U近，送入減法電路的反相端。同相比例運(yùn)算電路的作用是擴(kuò)大DAC的輸出電壓范圍，使U入和U近的最大值近似相等。經(jīng)過(guò)減法運(yùn)算電路之后的電壓差值U差經(jīng)過(guò)箝位電路送入MCU的ADC，通過(guò)讀ADC寄存器的值可得U差的值。箝位電路是防止ADC的輸入電壓超過(guò)量程，而導(dǎo)致燒毀MCU。

　　在測(cè)量時(shí)，由軟件控制改變DAC寄存器的值，從而改變DAC輸出電壓值，使U差的電壓值在量程范圍(0～3 V)之內(nèi)。此時(shí)通過(guò)讀DAC和ADC的寄存器的值，可得DAC輸出電壓與送入ADC的電壓U差的值。根據(jù)DAC的輸出電壓和同相比例運(yùn)算電路公式可得U近電壓值，根據(jù)減法電路公式、U差和U近的值可得輸入電壓值。

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　圖2為實(shí)現(xiàn)17位ADC原理圖。U101、R100、R101、R102、R103組成減法電路，U102、R108、R109、R116組成同相比例運(yùn)算電路。VD100組成箝位電路。VR是由基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生的3 V的基準(zhǔn)電壓。R117和R118組成分壓電路，在R118上的電壓為45 mV可抵消運(yùn)放的零漂。ADO是MCU的ADC通道0的輸入端。

圖2 17位ADC原理圖

　　圖2所示的電路雖然只是實(shí)現(xiàn)17位ADC，但通過(guò)修改幾個(gè)特定的電阻阻值就可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)測(cè)量輸入電壓范圍和ADC測(cè)量分辨率。通過(guò)修改同相比例運(yùn)算電路中R109與R116比例值，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸入電壓的測(cè)量范圍；通過(guò)修改減法電路中的R103與R100比例值，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)ADC的分辨率。下面結(jié)合實(shí)現(xiàn)17位ADC硬件設(shè)計(jì)電路圖，具體說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)17位高精度ADC、調(diào)節(jié)測(cè)量輸入電壓范圍和實(shí)現(xiàn)10～20位精度可調(diào)的ADC。