基于AD650单片式V/F变换器的接口设计

目前，A/D转换器随着速度及精度的提高，价格愈趋昂贵，给实际应用带来困难。但在某些场合被测信号的变化是缓慢的，这时转换速度就不成为主要问题。此时，可以采用低速的双积分式A/D芯片，如ICL7135（国产型号5G7135）是4又1/2位，分辨率为1／40 000，精度相当于14位二进制的A/D转换器；MC14433（国产型号5G14433）是3丢位，分辨率为5/10 000。5G7135与5G14433都采用双斜率工作方式，所以具有很高的抗工频干扰能力。但其转换速率较低，为2～10次／秒。如果转换速率要求在20次／秒以上或更高，则无现成的双积分A/D转换集成电路。从原理上讲可以用积分器、比较器、计数器构成速度较高的高精度A/D，但由于受器件性能的限制，如电压比较器的有限增益和有限转换速率等，实现起来比较困难。兼顾价格与转换精度的另一种有效方法是，采用V／F技术构成高精度的A/D转换器。近几年由于集成电路技术的发展，V／F芯片价格下降，技术指标进一步提高，特别是单片式的V／F芯片在各行业中得到广泛的应用。AD650是高精度型的单片式V/F变换器，它与单片机结合可以构成分辨率高、转换速率高于20次／秒的A/D转换器。

1．VFC与单片机的模／数转换的基本原理

如图1所示，转换前，单片机首先对计数器及定时器清零，预置计数及定时初值；随后通过定时控制端及计数控制端，使定时器及计数器同时开始工作；到一定时间后，定时器溢出端发出信号，单片机检测到该信号后，停止计数器工作，并把计数结果送入存储器中。这样便完成了一次模／数转换。VFC输出的矩形波的频率与其输入电压成线性关系，计数器的计数值等于VFC输出频率乘以定时器时间，而定时器时间可以通过单片机来精确控制。所以此种方法的转换精度主要取决于VFC的精度。

2．AD650与单片机接口的硬件设计

AD650是电荷平衡式单片V/F变换器，图2为其电原理图。

AD650的接线不很复杂，仅须选择4个元件的数值：输入电阻RIN、定时电容Cos、逻辑电阻Ro及积分电容CINT。下面介绍选取原则。

Ro：根据TTL逻辑电平，晶体管T在导通时约有0.4 V管压降。为保证有足够的负载能力，希望流过Ro的电流为8 mA。这样R。便近似为0.5 V／8 mA=62.5Ω，一般取1kΩ。如选1MHz为满量程频率，则必须采用500 Q左右的上拉电阻，以获得足够短的上升时间。

RIN与COs：这两个参数决定了满刻度频率及相适应的输入信号电压范围。RIN与Cos的关系是非线性的。满度频率为1 MHz、输入信号为0～10 V时，Cos可选51 pF，RIN为16.2 kΩ。

CINT：大多数情况下，CINT的最佳值按下式计算得出：

1 MHz时，CINT仍取1000 pF为宜。

模／数转换所用的定时器及计数器选用Intel公司生产的8253芯片来实现。它内部有三个独立的可预置数的16位递减计数器。每个计数器都有一个时钟输入端CN、一个门控输入端GN、一个输出端ON。时钟输入端用于输入时钟脉冲或事件计数脉冲，计数器的值在时钟脉冲的下降沿变化，门控端可以送入控制或复位信号。计数器减到零时，由输出端送出标志信号。

图3为接线图，AD650的输出接8253计数器O的CN端，计数器1作定时器用。8253的数据线与8031的BUS直接相连，Ai、Ao接8031的地址锁存器74LS373的输出。存储器的分配采用线选法，即8253片选端CS（反相）接8031的P2.7端。由此可知，计数器0的地址为7FFCH，计数器1的地址为7FFDH，计数器地址为7FFEH，方式控制寄存器端口为7FFFH。

3．软件设计

软件主要包括两部分：一部分是初始化程序；另一部分是取数程序。8031的初始化包括中断系统的初始化、堆栈指针的设置等，本文从略。8253在使用前须向其方式控制器写入方式控制字，控制字的格式如下表所列。

控制字的格式表

SC1、SCo组合选择计数器，同时为高电平时非法；RLi、RLo控制读出／装入方式．4种方式依次为：①计数器中的数据锁存到缓冲器，在此方式下可以进行“飞读”而不影响计数操作；

②选计数器的低8位字节；③选计数器的高8位字节；④对计数器分两次操作，先低8位字节，后高8位字节。M2、Mi、Mo选择计数器的工作方式，8253的每个计数器均有6种工作方式，包括定时计数方式、可编程单次脉冲方式、频率产生器方式、方波发生器方式、软件触发选通方式和硬件触发选通方式。BCD控制二进制计数或是二一十进制计数。

假设要求A/D精度为14位二进制，AD650选满刻度频率为500 kHz，则定时器定时值应为：214 /0.5×106= 32. 77 ms。

8031选用6 MHz晶振，经ALE、WR、RD逻辑组合产生的1 MHz的脉冲信号作为计数器1的时钟输入到CLK1端。因须定时32. 77 ms，所以计数器1的初值应预置为（16 384×2）10=8000H，工作于方式0，计数结束。OUTi翻转使计数器O停止工作，并申请中断或接受查询，将计数器O的计数结果取反后送入存储器待处理。取反的原因是8253采用减法计数方式。

下面是8253初始化及取数子程序：

4．几点说明

①V/F芯片AD650具有精度高，温度特性好，线性度高等优点，它与单片机的接口也较简单，编程方便。外接定时电容Cos，可控制输出满度频率为10 kHz、100 kHz、500 kHz、1 MHz四档，为电路设计提供很大方便。由本模／数转换器的工作原理可知：一定的模入电压，其转换结果的位数随计数时间而增加，因此用户可按要求在16位内自己编程选择模／数结果的位数。当满度频率为500 kHz时，分辨率为12～16位的定时时间分别为：8. 19 ms、16. 38 ms、32. 76 ms、65. 52 ms、131. 04 ms。此时，本A/D转换速度比一般双积分A/D转换要高5倍以上。

②本A/D转换器具有较强的噪声抑制能力。因为计数值等于待转换电压对计数时间的积分，所以转换结果（即计数值）是计数时间内待转换电压的平均值。这样，大的尖峰脉冲干扰就被平均掉，不会出现很大误差。

另外，若选计数时间为工频周期的整数倍．则可有效地抑制串模工频干扰。从理论上讲，若计数时间是待转换电压中噪声信号周期的整数倍，则其抑制能力是无限的。计数时间是由软件控制的，可十分方便地按抑制最严重的周期性噪声确定。

③当AD650满度输出频率为1 MHz时，须采取一些特殊措施，如将模拟地与数字地隔离，增加去耦电路，对偏置电压进行自动调整等。