前言

80C196KB是MCS－96系列產(chǎn)品中的采用CHMOS工藝的器件，其片內(nèi)集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，包括一個(gè)8通道的模擬多路開關(guān)，一個(gè)采樣和保持電路以及一個(gè)10位的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。充分利用80C196KB的片上A/D轉(zhuǎn)換資源即可以簡(jiǎn)化硬件，降低成本，又簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)供貨也相對(duì)容易。本文就是利用80C196KB的片上A/D轉(zhuǎn)換完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以80C196KB為核心，進(jìn)行了必要的擴(kuò)展。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。鍵盤用于輸入及功能選擇，LCD用于顯示測(cè)量結(jié)果，RAM用于存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)和處理的數(shù)據(jù)。另外，因?yàn)?0C196KB本身不帶ROM，所以要擴(kuò)展外部ROM作為程序存儲(chǔ)器。

A/D轉(zhuǎn)換接口電路

80C196KB模擬輸入端的外部電路應(yīng)根據(jù)應(yīng)用的需要來設(shè)計(jì)，它的好壞直接影響變換器的性能。在設(shè)計(jì)外部電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到輸入端的泄漏電流、采樣電容的大小以及多路開關(guān)的串聯(lián)電阻等重要因素。

80C196KB模擬輸入端的等效電路如圖2所示。V為外加信號(hào)源，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，外部輸入信號(hào)必須通過Ri才能對(duì)采樣電容Cs充電。輸入端的泄漏電流為Ix。就80C196KB而言。在模擬信號(hào)的輸入端外接一個(gè)足夠大的電容可以降低信號(hào)源內(nèi)阻的影響。80C196KB片內(nèi)采樣電容約為2pF，外接一個(gè)0.005mF（2048×2pF）的電容時(shí)，可以提供約±0.5LSB精確度的輸入電壓。如果該電容本身有漏電流，應(yīng)適當(dāng)增加電容值以補(bǔ)償漏電流。

假設(shè)只有80C196KB的3mA直流漏電流，那么這0.005mF的外接電容在1mS內(nèi)僅下降0.6mV（小于0.15LSB）。因此這一外接電容一般至少為0.005mF，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換精度。

圖3給出了根據(jù)上述原則構(gòu)成的一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬輸入接口。圖中還增加了過壓和反壓保護(hù)二極管，起保護(hù)作用。當(dāng)輸入出現(xiàn)反壓時(shí)，D2正向?qū)ǎ淹獠枯斎胄盘?hào)箝位于-0.6V。由于片內(nèi)也設(shè)置了輸入引腳最低可達(dá)-0.3V，這樣，在270W的電阻上大約有0.3V的壓降或大約1mA的電流，從而可對(duì)芯片起保護(hù)作用。

軟件算法

數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)備

讀AD_RESULT寄存器可以得到A/D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。新的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后，AD_RESULT被清零，所以寄存器中的值要及時(shí)讀出，轉(zhuǎn)換結(jié)果是輸入電壓與參考電壓之間的比率，計(jì)算公式如（1）：10位結(jié)果：

可見，標(biāo)定過程用到了加法、乘法和除法。為了提高標(biāo)定的精度必然要用到浮點(diǎn)計(jì)算。下面分析最終A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果應(yīng)保留的位數(shù)：

（1）A/D轉(zhuǎn)換為10位，量程為5V，5V/1023=0.00489V，這里取0.005V。

（2）浮點(diǎn)運(yùn)算精度遠(yuǎn)高于此精度，所以最終結(jié)果保留3位小數(shù)是有意義的，再高就沒意義了。

采用四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理浮點(diǎn)數(shù)有各種各樣的表示方法，為了統(tǒng)一浮點(diǎn)數(shù)的格式，IEEE提出一種浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它有幾種精度，其中包括單精度（4字節(jié)）、雙精度（8字節(jié)）和擴(kuò)展精度（10字節(jié)）。其中最常用的是單精度浮點(diǎn)數(shù)。但在編寫運(yùn)算程序時(shí)，IEEE標(biāo)準(zhǔn)的單精度浮點(diǎn)數(shù)有兩個(gè)方面的問題：

（1） 階碼雖然為8位，但它的地址不為一個(gè)字節(jié)，運(yùn)算尋址不太方便。

（2） 尾數(shù)為大于等于1小于2的混合小數(shù)，在執(zhí)行乘法時(shí)不太方便，特別是不容易實(shí)現(xiàn)快速除法。

為了避免這兩個(gè)問題，本文采用的是一種與IEEE標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)數(shù)格式基本相同，但結(jié)構(gòu)略有不同的四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)，格式如下：

該格式中，最高位為數(shù)符位，后面23位為尾數(shù)。由于該四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)必須為規(guī)格化數(shù)，所以除了零以外，尾數(shù)最高位總為1。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，在存放時(shí)，采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的方式，不存放最高位的1。這樣，23位尾數(shù)還需加上隱含的最高位1，構(gòu)成一個(gè)定點(diǎn)原碼24位小數(shù)，即尾數(shù)為小于1大于等于0.5的小數(shù)。最低8位為階碼，它采用移位，與IEEE標(biāo)準(zhǔn)相同，階碼等于實(shí)際階碼數(shù)值加上127。這種四字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)的取值范圍為：±（5.9×10-39~1.7×1038），精度為24位二進(jìn)制數(shù)，即截?cái)嗾`差小于1/16777216。

單精度的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的精度遠(yuǎn)高于80C196片上A/D轉(zhuǎn)換的10位二進(jìn)制數(shù)，足可以滿足要求。

由于A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的低位寄存器只用了高兩位，為了方便存儲(chǔ)，用兩個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。高字節(jié)存高8位，低字節(jié)只用高兩位來存放轉(zhuǎn)換結(jié)果的最后兩位，低字節(jié)的后6位置零。

另外，因?yàn)樽詈蠼Y(jié)果要保留3位小數(shù)，而如果運(yùn)算過程中涉及小數(shù)會(huì)使運(yùn)算比較麻煩，因而將要處理的數(shù)據(jù)都擴(kuò)大1000倍。這樣，只要在最后結(jié)果顯示時(shí)將小數(shù)點(diǎn)前移3位即可。綜上，用浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的流程如圖4所示。

通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)處理過程

按上面所描述的方法，對(duì)采集結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，由初次實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，測(cè)得數(shù)據(jù)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏高，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入電壓為零時(shí)系統(tǒng)仍測(cè)得為0.02V，也就是說存在零點(diǎn)誤差。而測(cè)得電壓一直比實(shí)際電壓高也是由此零點(diǎn)誤差引起的。通過在軟件中消去直流誤差，同時(shí)從參考電壓 方面考慮，為了提高測(cè)量結(jié)果的精度，采取了兩種措施：①硬件上用專門的電源芯片提供高精度的參考電壓。②軟件上對(duì)參考電壓的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。后者靈活性較大，簡(jiǎn)單易行。

系統(tǒng)完成后，由于電路上的壓降及各個(gè)芯片的影響，測(cè)得進(jìn)入單片機(jī)的參考電壓實(shí)際只有4.91V，用這個(gè)電壓值來修正開始值 ，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果就比較理想了。最終，測(cè)量的相對(duì)誤差在0.5％以內(nèi)，絕對(duì)誤差也不超過0.02V。

結(jié)語(yǔ)

在10位A/D轉(zhuǎn)換滿足精度要求的前提下，充分利用80C196KB的片上A/D轉(zhuǎn)換，既可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)又簡(jiǎn)單易行。而對(duì)高精度測(cè)試測(cè)量，浮點(diǎn)運(yùn)算是必不可少的。而且A/D轉(zhuǎn)換中，模擬信號(hào)接口電路、零點(diǎn)誤差的消除，以及參考電壓的修正都是必要的，因而本文介紹的A/D采集及數(shù)據(jù)處理有很強(qiáng)的通用性。尤其是對(duì)高精度測(cè)量系統(tǒng)，有一定參考價(jià)值。

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