嵌入式模数转换器的原理及应用

电，跟踪输入模拟信号电压的过程，由于采样电路存在模拟多路开关阻抗、采样开关阻抗和输入信号源阻抗，因此，其转换时间受模拟多路开关阻抗、采样开关阻抗与输入信号源阻抗的影响，模拟多路开关与输入信号源的阻抗越大则其转换时间越长。

逐次比较型A/D的输入端等效电路如下图所示：

图1 逐次比较型A/D的输入端等效电路

其中，RIN为输入模拟信号内阻，VS为输入模拟电压信号，RSH为模拟多路开关与采样开关的等效电阻，VSH为采样电容的充电电压，由等效电路可以看出，输入模拟信号内阻越大，则采样电容充电时间越长，因此，对于采样频率要求越高的场合，要求模拟输入信号内阻必须越小，在应用时必须首先估算在规定的采样频率下，对模拟输入信号内阻的要求。由电路理论可以求得RIN所允许的最大值（假设采样时间为T）：

如果信号源内阻达不到要求，则需使用一个输出阻抗很小的缓冲器，例如可以使用电压跟随器，使信号源的输出阻抗达到A/D转换器所要求的输入阻抗的范围之内。

2.2 模拟信号极性及幅值的变换

在数据采集系统中，采集的模拟信号并非都是非负单极性信号，经常是双极性信号，因此在使用嵌入式A/D转换器的时候，需要对模拟输入信号进行极性转换，我们可以采用运算放大器组成的线性网络来对其极性及幅值进行转换，但须注意的是在引入线性网络的同时，又引入了一定量的非线性误差，其线性网络原理图可用下图表示：

　　图2 线性网络原理图

只要改变电阻R1、R2、R3的大小以及它们的比例关系便可调整模拟输入信号的大小使其符合测量要求。

下面介绍一种常用的芯片AT90S8535关于其A／D转换器使用时应该注意的情况。

AT90S8535是ATMEL公司生产的一款基于AVR RISC结构的，低功耗的8位单片机，其内部集成有模数转换器，模数转换器具有以下特点：

10位分辨率；

±2LSB精确度；

0.5LSB集成线性度；

65～260μs转换时间；

8通道；

自由运行模式和单次转换模式；

ADC转换结束中断；

休眠模式噪声消除。

AT90S8535具有10位分辨率的逐次逼近型A／D转换器。ADC与一个8通道模拟多路器相连，这样就允许A口作为ADC的输入引脚。ADC包含一个采样保持放大器，ADC框图如下所示：

　　图3ADC框图

ADC可以工作于两种模式——单次转换和自由运行。在单次转换模式下，用户必须启动每一次转换，而在自由运行模式下，ADC会连续采样并更新ADC数据寄存器。ADCSR的ADFR位用于选择A／D转换器的运行模式。

由于模拟通道的转换总是要延迟到转换的结束，因此，自由运行模式可以用来扫描多个通道，而不中断转换器。一般来说，ADC转换结束中断用于修改通道，但需考虑一下因素；结果一旦准备好，中断就被触发，在自由运行模式，中断一被触发，则下一次转换马上开始。如果中断触发过后，模拟通道改变，而下一次转换已经开始，则仍旧使用以前设置。

3.1 ADC噪声消除技术

AT90S8535的内外部数字电路会产生电磁干扰，从而影响模拟测量精度。如果要求测量精度较高，则应采取如下技术以减少噪声：

1)　　AT90S8535的模拟部分及其他的模拟器件在PCB板上要有独立的地线层。模拟地与数字地单点相连；

2)　　使模拟信号通路尽量短。使模拟走线在模拟地上通过，并尽量保持远离高速数字通路的走线；

3)　　AVCC要通过一个RC网络连接到VCC；

4)　　利用ADC的噪声消除功能减小来自CPU的噪声；

5)　　如果A口的一些引脚作数字输出口，则在ADC转换过程中，这些口不要改变其状态。

3.2　ADC噪声消除功能的实现

ADC可以在CPU空闲模式下进行转换，这一特征使得可以抑制来自CPU的噪声。为了实现这一特性，需采取一下措施：

A)　　必须选择单次转换模式，ADC的转换结束中断必须使能；

　　ADEN=1;ADSC=0;ADFR=0;ADIE=1;

B)　　进入空闲模式。一旦CPU停止，则ADC将开始转换；

C)　　如果在ADC转换结束之前没有发生其它中断，则ADC中断将唤醒MCU并执行ADC转换结束中断。

微控制器片内A/D转换器由于自身的结构、性能特点，在许多应用中会遇到与独立A/D转换器不同的问题，但大多数嵌入微控制器的A/D器都具有像AT90S8535相似的结构和特点，采取的消噪技术和方法也大致相同，我们需根据具体情况具体分析需采取嵌入A/D还是独立A/D，并根据具体需求采取必要的措施来提高A/D转换器的精度。