一种提高AVR系列单片机内部A/D转换器分辨率的系统

摘要

本发明提供了一种提高AVR系列单片机内部A/D转换器分辨率的系统，由于AVR系列单片机功能非常强大,而且内部自带10位模数转换器,因此，其基本上能满足一定的测量的要求。但是,在某些场合，例如要求高精度数控恒流源则要求至少12位A/D模数转换器的分辨率,通常,模数转换器的位数越高,分辨率就越高.为了使得这款功能非常强大的AVR系列单片机,又要满足高精度测量的要求,本发明提供了一种提高AVR系列单片机自带模数转换器分辨率的系统,分辨率可以任意设定。

说明书

技术领域

本发明涉及单片机技术领域，更具体地，涉及一种提高AVR系列单片机内部A/D转换器分辨率的系统。

背景技术

AVR系列单片机是Atmel公司1997年推出的RISC单片.RISC通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的,RISC优先选取使用频率最高的简单指令,避免复杂指令;并固定指令宽度,减少指令格式和寻址方式的种类,从而缩短指令周期,提高运行速度.AVR单片机系列齐全,可适用于各种不同场合的要求。AVR单片机吸收了DSP双总线的特点,采用Harvard总线结构,因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的,并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址.因此，AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备,工业实时控制,仪器仪表,通讯设备,家用电器,宇航设备等各个领域.

AVR系列单片机功能非常强大,而且内部自带10位模数转换器,其基本上能满足一定的测量的要求,但是,在某些场合在要求高精度数控恒流源则要求至少12位A/D模数转换器的分辨率,通常,模数转换器的位数越高,分辨率就越高.为了使得这款功能非常强大的AVR系列单片机,又要满足高精度测量的要求,本发明提供了一种提高AVR系列单片机自带模数转换器分辨率的系统,分辨率可以任意设定。

在现有技术中,提高模数转换器的分辨率的方法主要是靠逻辑切换分压档位,这种方法的缺点是分辨率不能任意设定,逻辑切换速度较慢,因此不能满足快速测量的需要.在测量精度要求很高的场合,如果选择高位数的A/D芯片,价格就会大幅度的提高。

发明内容

AVR系列单片内部都是自带10位的A/D转换器,但是在某些场合,例如高精度数控恒流源则需要至少12位的A/D转换器分辨率.在这些场合,为了还能够继续使用功能非常强大的AVR系列单片机,又能满足高精度测量的要求, 本发明提供的一种提高AVR系列单片机内部A/D转换器分辨率的系统,该系统切换速度快,而且分辨率可以任意设定,例如,需要12位的A/D转换器分辨率的时候,通过键盘就可以及时更改模数转换器的分辨率,方便快捷.

本发明提供一种提高AVR系列单片机内部A/D转换器分辨率的系统,其特征在于,包括键盘电路，显示电路，单片机，逻辑电路，差分放大电路，第一数字电位器，第二数字电位器，模拟开关切换电路，

其中，键盘电路和单片机相连接；

显示电路和单片机相连接；

逻辑电路和单片机、差分放大电路相连接；

模拟开关切换电路和差分放大电路、单片机、第一数字电位器、第二数字电位器相连接；

差分放大电路和单片机、逻辑电路、模拟开关切换电路、第一数字电位器相连接；

第一数字电位器和差分放大电路、模拟开关切换电路、第二数字电位器相连接；

第二数字电位器和模拟开关切换电路、第一数字电位器相连接。

优选的是,所述键盘电路和所述显示电路共同配合来设定分辨率。

优选的是，所述模拟切换电路连接成三选一的方式。

优选的是,所述单片机的中断程序用来实现档位切换。

附图说明

为了使本发明便于理解，现在结合附图描述本发明的具体实施例。

图1为本发明的一优选实施例的系统原理框图；

图2为本发明的一优选实施例的系统电路原理图；

图3为本发明的一优选实施例的中断服务程序。

具体实施方式

下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明提供的一种提高AVR系列单片机内部A/D转换器分辨率的系统原理框图, 它是由键盘电路、显示电路、单片机、数字电位器、差分放大电路、模拟开关切换电路以及逻辑电路组成。

其中，需要键盘电路和显示电路配合来设定需要的分辨率，如图1所示，通过键盘电路可以设定模数转换器的分辨率,当某一个分辨率设定好以后，通过单片机、差分放大电路、逻辑电路、数字电位器和模拟开关切换电路实现逻辑切换,最后，通过显示电路显示运算结果。

例如,在AVR系列单片机内部自带10位A/D转换功能的基础上，要实现12位A/D转换功能，通过键盘电路设定12位的分辨率，即比10位的自动模数转换器分辨率多出两位，就要将基准电压分成2的2次方＝4档，放大电路的放大倍数要求为4倍；如果要实现13位A/D转换功能，通过键盘电路设定13位的分辨率，即比10位的自动模数转换器分辨率多出三位，就要将基准电压分成2的3次方＝8档，放大电路的放大倍数要求为8倍。

以此类推，只要满足                                                的关系，其中n是在10位的模数转换器的基础上要提高的分辨率位数，通过调整数字电位器来调整基准电压的分压档位，档位的确定是由档位逻辑电路检测并送单片机来判断，最终由单片机控制数字电位器来调整。

一般来说，放大器的增益误差和零点误差是系统误差的主要来源。因此为了消除系统误差，本发明提供了模拟开关切换电路，本发明所采用数字电位器共有四个可调电阻，其中模拟开关切换电路使用一个可调电阻，分压档位调整使用一个可调电阻，差分放大电路的放大倍数调整使用两个可调电阻。

图2是本发明提供的系统电路原理图。单片机U2选用的型号是MEGA8，AVR系列单片机有很多种型号，图2中以MEGA8作为一实施例，当然，选择本系列其它型号的单片机涵盖在本发明的保护范围内，数字电位器U1选择的型号是X9241，模拟开关U9选择的型号是CD4016.数字电位器U1与单片机U2采用两线通信，R6和R7是上拉电阻，数字电位器U1内部有四个可调电阻，数字电位器U1的1脚、2脚和3脚是第一个可调电阻（定义为PR1）的三个引脚端子，其中1脚是可调电阻的滑动引脚端子，数字电位器U1的6脚、7脚和8脚是第二个可调电阻(定义为PR2)的三个引脚端子，其中6脚是可调电阻的滑动引脚端子，数字电位器U1的11脚、12脚和13脚是第三个可调电阻(定义为R3)的三个引脚端子，其中13脚是可调电阻的滑动引脚端子，数字电位器U1的17脚、18脚和19脚是第四个可调电阻(定义为R4)的三个引脚端子，其中19脚是可调电阻的滑动引脚端子，数字电位器U1的2脚和7脚接5伏基准电源VR，3脚、8脚以及17脚接地。

如图2所示，数字电位器U1的6脚作为滑动引脚输出一个0~5V的分压信号并与运算放大器U5的正端连接，U5连接成跟随器的功能，这样PR2和U5组成一个分压器，这个分压器可以分成多少个档位由单片机控制，数字电位器U1的6脚还连接模拟开关U9的1脚.其中，可调电阻R2、可调电阻R3，电阻R0、电阻R4、二极管D3以及运算放大器U6构成差分放大电路，其中设定R2= R3，R0= R4，差分放大电路的放大倍数为A=R2/ R0，差分放大电路的放大倍数是通过单片机控制R2和R3的数值得到的。

模拟开关U9连接成三选一的方式，三个输入信号分别是PR1的分压信号、PR2的分压信号以及被测电压输入信号Vi, 模拟开关U9输出信号与运算放大器U10的正端连接，U10连接成跟随器的功能，通过单片机程序控制实现三选一的功能，模拟开关U9的作用是为了消除系统误差，当单片机处在测量状态时，模拟开关U9的输出选择被测电压输入信号Vi，由于放大器的增益误差和零点误差是系统误差的主要来源，因此，当单片机处在消除系统误差状态时，模拟开关U9的输出选择PR1的分压信号或PR2的分压信号。

接下来，就具体消除系统误差给出本发明的理论推导。假设差分放大器的测量公式为：，其中，y被测电压输入信号，x是单片机的测量值，k是差分放大倍数，是零点误差有关参数，假设当前的档位是m. 首先模拟开关U9的输出选择PR2的分压信号（m档位）,单片机得到的值是，然后模拟开关U9的输出选择PR1的分压信号（m+1档位）,单片机得到的值是， 得到两个方程如下：和，解这两个方程得到和，最终得到，这个公式中没有k和 ，可见已经消除了系统误差。

本发明为了实现档位的切换，将差分放大电路的正输入端接U10的输出，差分放大电路的负输入端接U5的输出，差分放大电路的输出一路接单片机U2的模拟量输入引脚（第27脚，图中未示出），另一路连接逻辑电路，逻辑电路由运算放大器U3、运算放大器U4、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、缓冲器U7以及异或门U8组成，运算放大器U3和运算放大器U4连接成电压比较器的形式，逻辑电路的功能是检测分压器的档位是否正确，U7的18脚与单片机U2的12脚连接，U7的16脚与单片机U2的13脚连接，U8的输出与单片机U2的14脚连接，单片机U2的14脚设置为上升沿捕捉中断输入信号，当差分放大电路的输出Vx在0~5V之间时，说明Vx的档位是正确的，U7的18脚和U7的16脚的输出均为1，异或门U8的输出为0，当被测信号发生变化使得差分放大电路的输出Vx <0时，U7的18脚输出为1而U7的16脚输出为0，异或门U8的输出为上升沿信号使单片机U2产生中断，在中断程序里控制数字电位器的PR2来降低分压器的档位，当被测信号发生变化使得差分放大电路的输出Vx >5V时，U7的18脚输出为0而U7的16脚输出为1，异或门U8的输出为上升沿信号使单片机U2产生中断，在中断程序里控制数字电位器的PR1来升高分压器的档位，利用单片机中断的实时性可以实现快速调整分压器的档位。

本发明的又一优选实施例为，通过键盘电路和显示电路设定13位的A/D转换器的分辨率。首先通过键盘电路和显示电路配合用来设定13位的分辨率，单片机接收这个命令控制数字电位器的R2和R3使得差分放大电路的放大倍数为8倍，然后控制数字电位器的PR1使得分压器的输出分割成8档，相邻两档的间隔电压为0.625V，这样被测输入电压信号分成8档，相邻两档的间隔电压为0.625V，若被测输入信号介于两档之间，则把输入信号与较低档位电压值相减，其差值必然小于0.625V，通过差分放大电路将这个电压信号放大8倍，使之变成0~5V的电压信号Vx，送给单片机U2内的10位A/D转换器，把输入电压所处的档位N和10位A/D转换器的转换结果合并起来，就得到该输入电压的所对应的数字量，利用附加的硬件和单片机的软件进行了高三位的逐次比较，从而将10A/D转换器的分辨率提高到13位。例如，被测输入电压为2V，数字电位器的PR1只能在第三档位上即，这时单片机通过执行档位切换程序将数字电位器的PR1调整在第三档位上，此时差分放大电路的输出Vx=8*（2-3*0.625）=1V，经10位A/D转换器转换的结果为，合并后结果为，当被测信号发生变化使得差分放大电路的输出Vx <0时，U7的18脚信号YA输出为1而U7的16脚信号YS输出为0，异或门U8的输出为上升沿信号使单片机U2产生中断，在中断程序里控制数字电位器的PR1来降低分压器的档位，当被测信号发生变化使得差分放大电路的输出Vx >5V时，U7的18脚信号YA输出为0而U7的16脚信号YS输出为1，异或门U8的输出为上升沿信号使单片机U2产生中断，在中断程序里控制数字电位器的PR1来升高分压器的档位，如图3所示，中断程序实现档位切换功能。

以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。