1. 导言
对测控现场的被测模仿信号的处理一般常用A/D或V/F转化技能，两种办法各有特色：A/D转化技能一般用于被测信号速率较高，但搅扰不是太严峻的场合，而V/F转化技能因为具有较强的抗搅扰性且便于完结信号的远传和阻隔，因而往往用于现场的搅扰较为严峻、且信号传输间隔较远的场合。但因为V/F改换的采样速率较低，在对分辨率、采样速率和抗搅扰性要求都较高时，则选用V/F转化技能往往也难以满意采样要求。虽然A/D转化的采样速率较高，但因为其抗搅扰性较差，然后使体系的牢靠性、稳定性和测验精度都会受到影响，有时乃至无法正常作业。
本文提出一种选用PWM技能的新式的高性能模数转化器的规划办法，运用MCU内部的守时器，结合改善的逐次迫临的对分打听算法，只须选用一般元器件即可规划出具有高分辨率的A/D转化器，以完结对模仿电压的丈量，经过试验证明该规划能够到达较高的精度和分辨率，电路简略、牢靠、成本低、传输信号线少，便于远传或阻隔，抗搅扰才能强，具有较好的运用价值。
2. 根据PWM技能的A/D转化作业原理及接口电路规划
一般模数转化包含采样、坚持、量化和编码四个进程。采样便是将一个接连改动的信号x （t） 转化成时刻上离散的采样信号x （n） 。一般采样脉冲的宽度tw 是很短的，故采样输出是断续的窄脉冲。要把一个采样输出信号数字化，需求将采样输出所得的瞬时模仿信号坚持一段时刻，这便是坚持进程。量化是将接连起伏的抽样信号转化成离散时刻、离散起伏的数字信号，量化的首要问题便是量化差错。编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。这些进程有些是兼并进行的。例如，采样和坚持就运用一个电路衔接完结，量化和编码也是在转化进程一起完结的，且所用时刻又是坚持时刻的一部分。
PWM即脉冲宽度调制，PWM信号是一种周期（T）固定、占空比改动的数字信号。当对其进行积分或低通滤波后，便可取得与其脉冲宽度呈正比的模仿电压，所以将该电压作为打听值与被测模仿量进行比较便可取得与被测模仿量相对应的PWM值或数字量。本规划是运用守时器产生PWM脉冲输出信号，运用比较器作为打听成果状况标志，选用改善的逐次迫临打听算法来完结对被测模仿量的A/D改换。因为一般单片机内部都有守时器，因而可直接运用片内守时器来产生PWM信号即可，本规划选用的是MSP430单片机，因为其内部的守时器A具有比较/捕获功用，且内部具有多个捕获/比较器：CCR0–CCRn，因而运用这种功用可更便利的产生PWM信号，然后完结A/D转化。PWM波形的产生是运用守时器A输出形式中的“复位/置位”形式。例如可运用其间的捕获/比较器CCR0来操控PWM的周期，而用CCR1通道操控PWM的占空比，然后可便利的取得PWM信号，如图1所示“复位/置位”形式输出示意图。
由图1可知，只需改动CCR1和CCR0的值就能够改动输出波形的脉冲宽度和脉冲周期，例如，以CCR0信号作为脉冲周期操控，当CCR1的值改动时即可改动PWM信号的脉冲宽度或占空比，输出信号便是PWM信号。如图2所示。
若PWM信号的占空比随时刻改动，那么经过低通滤波后的输出信号将是起伏改动的模仿信号，因而经过操控PWM信号的占空比，就能够产生不同的模仿信号。本规划中，选用MSP430单片机的守时器A的CCR0来操控周期，选用CCR1来操控占空比，然后产生所需求的PWM信号。
选用PWM技能的A/D转化电路规划如图3、4所示。A/D转化经过MSP430单片机的内部守时器A产生的PWM信号，经过P23口输出，经过两级RC低通滤波后得到与其对应的模仿信号，然后经过运算放大器构成的电压跟从器进行阻抗改换后，作为打听值送电压比较器LM393的一端，在比较器的另一端接入被测模仿量，两信号在比较器中进行比较，经过检测比较器的输出电平状况即可反映出打听值的巨细，由比较器的输出状况调整PWM信号的占空比，产生下一次PWM信号的输出，所以经过不断的打听并批改PWM信号的占空比即可使打听值挨近或等于被丈量，则此刻的脉冲值即为被丈量的A/D转化值，能够到达16位的转化精度。别的，由原理图4可知，因为整个电路比较简略且该转化器与体系的衔接只要两条信号线：即PWM信号输入线和用于将打听值与被测模仿量进行比较的比较器信号输出线，因而在进行抗搅扰阻隔时将很简略完结，而在选用一般A/D转化器的电路中进行抗搅扰阻隔时则要费事的多。
3. 微操控器MCU的选型
为便利运用和操作，本规划不光规划简略，并且功耗要低，因而经多方面归纳、比照决议选用TI公司的具有SOC特色的MSP430系列MCU，这是一种超低功耗的16位混合信号操控器，其内部集成了很多的外围模块和温度传感器，特别适用于电池供电的手持式设备或需求对环境温度进行补偿的测验仪器。
MSP430单片机选用最新的低功耗技能，作业在1.8～3.6V 电压下，有正常作业形式（ A M ） 和4 种低功耗作业形式；在最小功耗形式下其作业电流仅为0.1μA，并且能够便利地在各种作业形式之间切换。它的超低功耗性在实践运用中， 尤其是在电池供电的便携式设备中体现尤为杰出。在体系初始化后便进入待机形式，当有答应的中止请求时，CPU 将在6μs的时刻内被唤醒， 进入活动形式，履行中止服务程序。履行结束，在RETI 指令之后，体系返回到中止前的状况，继续低功耗形式。
本规划所选用的是MSP430F1232微操控器，具有十分高的集成度，除内部带有具有PWM功用的守时器外，片内还集成了10通道的1 0位A / D转化、温度传感器、USART、看门狗守时器、片内数控振荡器DCO、很多的具有中止功用的I/O 端口、大容量的片内Flash 和RAM 以及信息Flash 存储器［4］。其间的16位守时器A中带有3个捕获/比较通道，内部的Flash 存储器能够完结掉电维护和软件晋级。由此选用MSP430单片机作为该规划的处理器，不光可简化体系电路规划、缩短开发周期，下降体系功耗，还可运用其内部集成的温度传感器，便利的对被测模仿量进行温度补偿，然后使体系的测验精度得以进步。
4. A/D 转化分辨率剖析及主程序规划
因为选用PWM技能的A/D转化器的分辨率取决于操控PWM脉冲占空比的守时器的计数值位数或字长，因而可经过改动守时器计数位数来改动A/D转化的分辨率，而MSP430单片机的内部守时器A中的计数器字长为16位，因而其PWM信号占空比的调整规模为0～216-1，所以当体系守时器的计数器字长为16位时，选用PWM技能的A/D转化器的最大分辨率可达16位。因为单片机内部的16位守时器选用晶振作为内部计数器的作业时钟，因而其守时精度一般都较高，且其计数值与PWM脉冲占空比成严厉的线性关系，输入脉冲准确，因而A/D转化的线性度和精度较好，线性度差错小于1%。转化速率与分辨率和选取的PWM信号的周期有关，分辨率越高，转化时刻越长，但同选用V/F办法相比较，转化速度要快的多。
为了能够缩短打听时刻进步在高分辨率下的采样速度，选用改善的逐次迫临的对分打听法使得打听值能够敏捷迫临被测模仿量。惯例的对分打听法是每次打听开始时，首先将最大计数值的一半（即字长对分值）作为打听初值并将其转化成PWM信号输出，适当于输出1:1占空比的PWM脉冲信号，然后测验比较器的状况，以确认当时打听值的巨细，若打听值小于被测模仿量，则保存当时打听值，不然去掉，然后再将剩下值的一半（即：剩下对分值）作为新的增量与前次保存值相加后产生新的打听值并将其转化成PWM脉冲信号输出，再测验比较器的状况，若大于被测模仿量，则去掉当时增量，不然保存，随后每次的输出都将剩下对分值作为增量进行打听，一向继续的打听下去，直到打听完与分辨率适当的次数，例如：完结具有16位分辨率的A/D转化就要打听16次。因为该办法在采样时不管当时采样值打听值多么挨近被测值，其每次采样的打听次数都相同，为减小打听次数进步采样速率，在本规划中选用了一种改善的逐次迫临打听算法，可大大削减打听次数，其详细完结的办法是：当第一次打听完并取得采样值后，保存当时采样值，不再以剩下对分值作为新的增量，而是以最小值作为初度增量（即：将最低方位1，可将其看作权值），与前次保存值相加并转化成PWM信号输出，经过测验比较器输出确认当时增量值是否需求保存，若打听值小于被测模仿量，则保存当时打听值，不然去掉。若需求增大打听值时，则可将权值左移一位再与前次打听值相加，以构成新的打听值，这样能够使逐次迫临打听值总处在盯梢打听状况，然后大大削减了打听次数。因为在实践测验进程中被测模仿量一般很少有骤变状况产生，大都处在缓变添加或缓变减小状况，因而选用这种改善的逐次迫临的打听算法，将会有用的进步A/D转化器的采样速率。
选用PWM技能的A/D转化器的主程序，选用汇编语言编写。其主程序流程图如图5所示：
5. 结束语
选用一般元器件运用MCU内部守时器结合PWM技能规划高分辨率的A/D转化器，改动A/D转化的分辨率只须修正PWM守时器的有关参数即可，灵敏便利，稳定性好，线性度高，因为该转化器与体系的衔接仅为两条信号线，因而，能够很便利的选用光电阻隔技能进步体系的抗搅扰才能，别的因为电路中的低通滤波环节，使得电路自身也具有必定的抗搅扰才能，这比较适合在具有较强的搅扰环境中运用，选用改善的逐次迫临打听算法完结对模仿电压的丈量或A/D改换，进步了采样速率，转化电路规划及算法完结简略，测验分辨率和精度较高，具有较好的运用价值。
本文立异点：运用PWM技能完结对模仿电压的丈量或A/D改换，既具有较高的分辨率，又具有较好的抗搅扰性，且便于选用光电阻隔。一起结合运用改善的逐次迫临打听算法大大削减了打听次数，转化电路的规划及转化算法完结简略，A/D转化分辨率能够根据需求恣意设置，具有较好的运用价值。
现在市场上14—16位的A/D转化器芯片的销售价格大约在100元—300元之间，具有相应分辨率的V/F转化模块的销售价格约为100—150元，而选用PWM技能规划的A/D转化器中所用到的首要芯片或元器件为：运放：8元；高速比较器LM311或LM393：2元；MCU：15元（但选用A/D转化器芯片时也有必要要用MCU，当选用用户体系中的MCU时此费用可省），即：总费用包含MCU时才不超越30元，依照保存用量核算：若A/D芯片加V/F转化模块的年需求总量为十万片（块）时，其经济效益是适当可观的。
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