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基于单片机双极模拟信号A/D转换的电路设计方案
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2017-11-16
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通常A/D转换都需使用A/D转换芯片来实现，MC9S12XS128MAL是飞思卡尔公司HCS12系列16位单片机中的一种，它有8 kB的RAM、128 kB的片内闪存（Flash EEPROM）、2 kB的电可擦写可编程只读存储器（EEPROM）及多种功能的接口，MC9S12XS128内置的A/D模块是16通道、12位精度、多路输入复用、逐次逼近型的模数转换器，故可省去使用A/D转换芯片而设计的硬件电路，可降低成本，提高了系统的稳定性及可靠性。但单片机的模拟输入端只能接受单极正向模拟信号，不能直接进行双极模拟信号的模数转换，为此必须把双极模拟信号转换成单极正向模拟信号。在一般的设计中，常常要把形如-ui-+ui的双极型模拟信号通过电位平移电路转换成0～5 V单极信号，而这种平移电路会使得A/D转换的精度降低一倍，而且稳定性也降低。而文中采用对称电路设计，使得单片机可接收的A/D信号由0～5 V扩大到-5～+5 V，A/D转换的量程扩大了1倍，稳定性也大幅提高。
1电路设计
图1总体电路示意图
1.1设计原理
当输入的信号经放大电路放大后，若信号为正，则二极管1截止，信号无损失地从AD0口输入，同时正的信号经反相器反相后变成负的信号，二极管2导通，所以AD1口接收到的信号为二极管2的正向导通压降的负值，只要这个负值电压的幅度小于A/D口输入的允许值，则由此口采集的A/D值就为0，因此在这种情况下的A/D值就是AD0口的值；
反之，当输入的信号为负值时，二极管1导通，AD0口接收的数据为0，而经反相器反相后的信号为正，二极管2截止，AD1口接收数据。
若AD=AD0-AD1，当信号为正时，AD=AD0-0，为正；当信号为负时，AD=0-AD1，为负。此时，AD可接收的数据由原来的0～5 V扩展为-5～+5 V.
1.2二极管的选择
若从线性度考虑，应该选择正向压降高的二极管，例如1 N4007.但1N4007的正向压降约为0.7 V，当二极管导通时，对应的A/D口所接收到的信号为-0.7 V，这会烧毁单片机，所以从安全性考虑应该选择压降较低的二极管进行实验。PMEG2010的压降约为0.1 V，1N60的压降约为0.2～0.3 V，均能保护好单片机不被烧坏。在安全性的前提下，分别测量数据分析二极管的线性度。
2实验与结论
2.1 PMEG2010
文中以某种信号为输入信号，测量输出信号和输入信号是否成线性关系。
表1是二极管为PMEG2010是测得的数据，将数据拟合后可得到二极管为PMEG2010时所得曲线，如图2所示。
表1二极管为PMEG2010时的输入与输出值
1电路设计
图1总体电路示意图
1.1设计原理
当输入的信号经放大电路放大后，若信号为正，则二极管1截止，信号无损失地从AD0口输入，同时正的信号经反相器反相后变成负的信号，二极管2导通，所以AD1口接收到的信号为二极管2的正向导通压降的负值，只要这个负值电压的幅度小于A/D口输入的允许值，则由此口采集的A/D值就为0，因此在这种情况下的A/D值就是AD0口的值；
反之，当输入的信号为负值时，二极管1导通，AD0口接收的数据为0，而经反相器反相后的信号为正，二极管2截止，AD1口接收数据。
若AD=AD0-AD1，当信号为正时，AD=AD0-0，为正；当信号为负时，AD=0-AD1，为负。此时，AD可接收的数据由原来的0～5 V扩展为-5～+5 V.
1.2二极管的选择
若从线性度考虑，应该选择正向压降高的二极管，例如1 N4007.但1N4007的正向压降约为0.7 V，当二极管导通时，对应的A/D口所接收到的信号为-0.7 V，这会烧毁单片机，所以从安全性考虑应该选择压降较低的二极管进行实验。PMEG2010的压降约为0.1 V，1N60的压降约为0.2～0.3 V，均能保护好单片机不被烧坏。在安全性的前提下，分别测量数据分析二极管的线性度。
2实验与结论
2.1 PMEG2010
文中以某种信号为输入信号，测量输出信号和输入信号是否成线性关系。
表1是二极管为PMEG2010是测得的数据，将数据拟合后可得到二极管为PMEG2010时所得曲线，如图2所示。
表1二极管为PMEG2010时的输入与输出值
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