1 引言

本文给出了基于C8051F020单片机的16位A/D转换器设计思路及实现方法。在设计中，充分利用了C8051F020单片机内部的高速计数器，本文给出的设计与常规的双积分ADC相比，具有转换速率高、可对双极性模拟电压进行转换等显著优点，且实现简单，运行稳定可靠。

2 A/D转换器硬件电路

图1为A/D转换硬件电路。图中，LM336为5V电压基准源，CD4052为2路四选一电子开关。

在正常转换过程中，Vin输入端的开关RY断开，输入待测电压信号(-5V～+5V)，此信号经过运放OP07-1构成的电压跟随器后，输入到运放OP07-2的反相输入端，加入电压跟随器的目的是进行阻抗变换。运放OP07-2构成加法器，其输出为：

VOI=-(VI+VCP) (1)

VCP为补偿电压，将双极性输入电压VI转换成单极性电压VO1，以实现与偏移二进制码对应的A/D转换，其值为输入电压VI的上限值。若输入电压VI 取值范围为：-5V<VI<5V，则VCP=5V。输出电压VO1的取值范围为-10V<VO1<0V。

3 A/D转换器程序流程及工作原理

图2为A/D转换过程程序流程图：

A/D转换开始前先将计数器清零。在软件控制下，选通CD4052的2Y管脚，构成放电回路使积分电容C完全放电，然后开始A/D转换，转换操作分两步进行：

第一步，选通CD4052的0X管脚，积分器对VO1进行固定时间T1的积分，积分结束时积分器的输出电压VO2为：

(2)

第二步，选通CD4052的1X管脚，积分器对参考电压VREF向相反方向积分，若积分器的输出电压到零时所经过的积分时间为T2，则有：

(3)

故得到：

(4)

上述三式中VREF为A/D 转换器的基准电压，由C8051F020片内的12位D/A转换器DAC0提供。可见，T2与进行固定时间间隔积分的电压信号VO1成正比，令计数器在这段时间里对固定频率为fc (fc=1/TC)的时钟脉冲计数，计数值即为转换成的数字量，即

(5)

式中D为表示计数结果的数字量，即A/D转换值。

因为T1为计数器计满2n个脉冲的时间，即T1=2nTc，将其代入(5)式得出

(6)

再将(1)式代入(6)式得出

(7)

由(7)式可知：本文给出的双积分式A/D转换器与常规双积分式A/D转换器的主要不同之处在于加入了偏移电压VCP可对双极性电压信号VIN进行转换。

积分器输出电压过零时，比较器LM311输出电平翻转，将比较器LM311输出端与C8051F020单片机内部比较器0输入端CP0+相连，使比较器输出电平的翻转引发程序中断进行A/D转换后的数字量显示。

4 实现不同分辨率下的A/D转换

常规双积分式A/D转换器的主要弊端之一是转换速率低，无法适应要求高速A/D转换的工业现场。本文所论述的双积分式A/D转换器采用C8051F020单片机内部的高速计数器计数，显著提高了A/D转换器的转换速率。

双积分式A/D转换器的转换速率由分辨率与晶振频率决定。在晶振频率一定的情况下，欲提高分辨率，则需降低转换速率。因此，为了提高双积分式A/D转换器的转换速率，可在对分辨率要求不高的应用场合将分辨率适当降低。

根据双积分式A/D转换器的转换原理可知：当进行定时间间隔积分的电压与基准电压幅值VREF相等时，进行一次A/D转换所需时间最长，具体关系见下式：

式中T为一次A/D转换的最长时间，fosc为给单片机外加的晶振频率，n为A/D转换器的分辨率。

通过软件编程控制固定积分时间T1可方便地使A/D转换器具有8位、10位、12位、14位、16位等多种不同的分辨率，以适应不同转换速率的要求。

5 改善性能的主要措施

(1)量程扩展。在待测电压输入端连接放大器和衰减器，即可实现A/D转换器量程的扩展。

(2)零漂校准。每次测量前，通过程控闭合开关RY，使输入量为零，即可测得A/D转换器的零漂，再由单片机对实际的测试进行误差补偿，以实现自动校准的功能。

6 结束语

此A/D转换器线性误差小于0.5％；当给单片机外加的晶振频率为11.0592MHz时，在16位分辨率下转换速率可达168.75次/s；通过软件编程可实现8位、10位、12位、14位、16位等多种分辨率，当分辨率设定为10位时，转换速率可达10800次/s。除此之外，还可进行量程扩展、校零、误差补偿等等。