【文章內(nèi)容簡介】 所以進行轉換時必須在一系列選定的瞬間對模擬信號采樣，然后再把該取樣值用二進制數(shù)表示出來。由于將采樣值再用二進制表示出來需要一定的時間，因此，采樣后的模擬量還必須要保持、量化和編碼等過程。所以， A/D 轉換過程一般要四 步：采樣、保持、量化和編碼。 （ 1） 采樣和保持 采樣是將時間上連續(xù)變化的信號轉換為時間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入的模擬量。 如圖 所示。 第 12 頁 圖 采樣電路 該電路 就是在一系列選定的時間瞬間對輸入模擬信號進行采樣的電路。電路中 S 是理想的模擬開關， CH 是保持電容， S開關有采樣脈沖信號 VS控制。當 VS高電平時，開關閉合 VI(t)對電容 CH 充電（采樣）；當 VS低電平時，電容器上采樣的電壓保持。進而可畫出采樣后 39。()IVt的波形，如圖 所示。 圖 采樣保持波形圖 為了能使采樣后的信號不失真地再現(xiàn)原采樣前的輸入信號，由此，對采樣的信號頻率 Sf 就有一定的要求。由采樣定理得： max2Siff? ，式中 maxif 為輸入模擬信號 ()IVt頻譜中的最高頻率成分。在實際的 A/D 轉換中，允許存在一定的誤差下，采 樣脈沖頻率 Sf 常按下式選?。?max2Siff? 。 由于每次把采樣得到的電壓轉換為數(shù)字量都需要一定的時間，所以采樣以后必須再將采樣電壓保持一段時間。因此，進行 A/D轉換時所用的輸入電壓實際是每次采樣結束時的 iu 值。 （ 2） 量化和編碼 輸入的模擬的電壓經(jīng)過采樣保持后，得到的是階梯波。由于階梯的幅度是任意的，將會有無限個數(shù)值，因此該階梯波 仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量。另一方面，由于數(shù)字量的位數(shù)有限，智能表示有限個數(shù)值（ n為數(shù)字量智能表示 2n個數(shù)值）。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬時就有一個類似于四舍五入的近似問題。必須將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平。用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平的過 第 13 頁 程稱為編碼。兩個量化電平之間的差值稱為量化間隔 S，位數(shù)越多，量化等級越細， S就越小。取樣保持后未量化的 U0值與量化電平 Uq 值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差 ? ，即 0 qUU???。量化的方法一般有兩種：舍尾取整法和四舍五入法。 a、舍尾取整法 舍尾取整量化特性如圖 所示。 圖 舍尾取整量化特性 舍去不足一個量化單位的尾部，取其證書。當 S表示為量化單位時，即有： 圖 10 舍尾取整量化特性 ( 1) IK S V KS? ? ?。取量化值 ( 1)IV K S??。如當 S=1V 時， IV ＝ IV＝ 3V； 量化單位的計算： 2imnVS?， n是 ADC 的位數(shù) imV 采樣后的最大值電壓。 b、四舍五入法：大與 S/2 量化單位的尾部歸整，舍去小于 S/2 量化單位的尾部。 A/D 轉換器的主要性能指標 （ 1） 分辨率 分辨率反映轉換器所能分辨的被測量最小值，通常用輸出二進制代碼的位數(shù)來表示。 （ 2） 精度 精度是指轉換結果相對于實際值的偏差，精度有兩種表示方法： a、 絕對精度：用二進制最低位 (LSB)的倍數(shù)來表示。 b、 相對精度：用絕對精度除以滿量程值的百分數(shù)來表示。 應當指出，分辨率與精度是兩個不同的概念。同樣分辨率的 A/D轉換器其精 度可能不同。 第 14 頁 （ 3） 量程（滿刻度范圍） 量程是指輸入模擬電壓的變化范圍。 （ 4） 線性度誤差 理想的轉換器特性應該是線性的，即模擬量輸入與數(shù)字量輸出成線性關系。線性度誤差是指轉換器實際的模擬數(shù)字轉換關系與理想的直線關系不同而出現(xiàn)的誤差，通常用多少 LSB 表示。 （ 5） 轉換時間 從發(fā)出啟 動轉換開始直至獲得穩(wěn)定的二進代碼所需的時間稱為轉換時間。轉換時間與轉換器工作原理及其位數(shù)有關。同種工作原理的轉換器，通常位數(shù)越多，其轉換時間越長。 結合系統(tǒng)的設計要求，并考慮到單片機的 I/O 接口資源緊張等因素，最終確定選用專為高精度稱重傳感器而設計的 24 位 A/D轉換器芯片 HX711。 STC89C52RC 單 片機 STC89C52RC 單片機是宏晶公司推出的一款完全兼容 MCS51 的單片機，單片機片內(nèi)集成了 8K的 FLASH 程序存儲器， 512 字節(jié)的 RAM 數(shù)據(jù)存儲器，至少 1K的E2PROM， 2個數(shù)據(jù)指針， 1個 UART， 8個中斷源， 4 個中斷優(yōu)先級， 3 個定時器。單片機可通過 32個 I/O 口與外部電路連接。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 flash 允許程序存儲器在線可編程，也適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8位 CPU和在系統(tǒng)上可編程 閃爍存儲 單元，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。 STC89C52 具有以下標準功能： 8K 字節(jié) 閃爍存儲器 ， 256字節(jié)讀寫存儲器， 32位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許讀寫存儲器、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，讀寫存儲器內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 第 15 頁 STC89C52RC 引腳功能 VCC：電源 。 GND：地 。 P0 口 ： P0 口是一個 8位漏極開路的雙向 I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個 TTL 邏輯電平。對 P0端口寫“ 1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也被作為低 8位地址 /數(shù)據(jù)復用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在 閃爍編程 時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 輸出緩沖器能驅動 4個 TTL 邏輯電平。對 P1端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 P2 口： P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅動 4個 TTL 邏輯電平。對 P2端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口送出高八位地址。在這種應用中， P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送“ 1”。在使用 8 位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口輸出 P2鎖存器的內(nèi)容。在閃爍編程和校驗時， P2口也接收高 8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅動 4個 TTL 邏輯電平。對 P3端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。 RST：復位輸入。當 晶振工作 時， RST 引腳 持續(xù) 2 個機器周期高電平將使 單片機復位。 EA/VPP： 訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令， EA 必須接 GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應該接 Vcc。在閃爍編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL1： 振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2： 振蕩 器反相放大器的輸出端。 第 16 頁 圖 STC89C52引腳圖 復位電路 單片機上電時，當振蕩器正在運行時，只要持續(xù)給出 RST 引腳兩個機器周期的高電平，便可完成系統(tǒng)復位。外部復位電路是為提供兩個機器周期以上的高電平而設計的 。系統(tǒng)采用上電自動復位，上電瞬間電容器上的電壓不能突變， RST上的電壓是 Vcc 上的電壓與電容器上的電壓之差，因而 RST上的電壓與 Vcc 上的電壓相同。隨著充電的進行，電容器上的電壓不斷上升， RST 上的電壓與 Vcc上的電壓相同。隨著充電的進行，電容器上的電壓不斷上升， RST上的電壓就隨著下降， RST 腳上只要保持 10ms 以上高電平，系統(tǒng)就會有效復位。電容 C1 可取10~33μF ， R 取 10kΩ ，充電時間常數(shù)為 1010 61010 3=100ms。 晶振電路 STC89C52 單片機有一個用于構成內(nèi)部 振蕩器的反相放大器， XTAL1 和 XTAL2分別是放大器的輸入、輸出端，外接石英晶體或陶瓷振蕩器以及補償電容 CC3構成并聯(lián)諧振電路。當外接石英晶體時，電容 C C3 選 30pF177。10pF ；當外接陶瓷振蕩器時，電容 C C3 選 40pF177。10pF 。 STC89C52 系統(tǒng)中晶振頻率一般在~12MHz 選擇。外接電容 C C3 的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩頻率 第 17 頁 的穩(wěn)定度、起振時間及溫度穩(wěn)定性。在設計電路板時，晶振和電容應靠近單片機，以便減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作。在本系統(tǒng)中，選擇了 12MHz 石英晶振， 電容 C C2 為 30pF。其電路圖如圖 。 圖 STC89C52單片機復位、晶振電路 自動量程 控制電路 為了保證系統(tǒng)的測量精度 , 常常需要設計量程轉換功能。在自動量程轉換電路中 , 這里設計采用的方案是用微處理器控制程控增益放大器 。這種方法速度快、精度高 ,電路簡單 ,判別和設置量程不會占用微處理器大量時間。 CD4052B 介紹 CD4052B 模擬多路器是數(shù)字控制的模擬開關 ,具有低導通阻抗以及低截止漏電流 ,模擬信號可以高至 20V 的峰峰值 ,通過數(shù)字控制來完成 ,這個數(shù)字信號可以從 4. 5V 到 20V (如果 Vdd Vss =3V,那么 Vdd Vee 直到 13V 都可以被控制 ,如果高于 13V 這個值 ,Vdd Vss 至少要 4. 5V)例 :如果 Vdd = ,Vss =0V,Vee = 13. 5V,那么從 13. 5V 到 4. 5V 的模擬信號都可以被 0 到 5V 的數(shù)字信號控制 ,當電源在最大的電壓范圍供電 ,控制信號是獨立的邏輯狀態(tài) ,電路的損耗是 第 18 頁 非常低。如果禁止輸入信號引腳輸入信號是邏輯 1 的話 ,所有通道關閉。 CD4052的真值表和引腳圖見表 和圖 所示。 CD4052B真值表 圖 輸入 信號 A1 A0 0 0 0 0x,0y 0 0 1 1x,1y 0 1 0 2x,2y 0 1 1 3x,3y 1 X X None 圖 CD4052B引腳圖 自動控制量程工作過程 將測量電壓范圍分為四個檔位 ,通過模擬開關選擇其中的一個輸入端 ,選用差動 4 通道雙向模擬開關 CD4052B 來實現(xiàn) ,電源部分用正負電源供電。被測的電壓通過電阻分壓網(wǎng)絡 ,將被測的電壓進行初步采樣 ,電壓量程、分壓系數(shù)和對應的輸入電阻值如表 電壓量程、分壓系數(shù)與對應的輸入電阻值 表 量程 分壓系數(shù) 輸入電阻 ~ 1 大于 10M ~ 5MΩ CD4052B 是獨立的四通道多路器 ,擁有兩個二進制輸入控制口 A與 B,還有禁止輸入控制口 ,二進制輸入控制信號選擇四對通道中的一對 ,連通模擬信號輸入與輸出。 當電路開始工作的時候 ,單片機將 A1與 A0置 1,此時 ,CD4052B中 ,X3與 COMX接通 , COMY 與 Y3接通。被測量電壓通過又四個電阻組成的分壓網(wǎng)絡 ,其中 ,在 R4上的壓降為被測電壓的 0. 0025 倍 , R4 上的電壓通過 X COMX、 R5,加在運算放大器 U3A 上 ,又因為 U3A 與 R D1 組成一個正向電壓跟隨器 , (其中 D1 作用為單向導通、使測量表筆極性接反時沒有信號通過 ) ,信號到達 U4A 后 ,經(jīng)過由于 U4A、 第 19 頁 UAR (Y3 COMY) 、 R8構成了放大倍數(shù)接近 1的同相放大器 ,加在 MAX1292 的0通道上。經(jīng)過 MAX1292 采樣 ,單片機的處理 ,如果信號幅值過小 (小于 0. 25V) ,則應把量程減小。依次判斷調整量程。反過來 ,量程小的檔要測量超出該量程的電壓 ,則單片機要識別出來 ,并切換到