1. 引言

        對測控現(xiàn)場的被測模擬信號的處理一般常用A/D或V/F轉(zhuǎn)換技術(shù),，兩種方法各有特點：A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)一般用于被測信號速率較高,，但干擾不是太嚴(yán)重的場合，而V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)由于具有較強(qiáng)的抗干擾性且便于實現(xiàn)信號的遠(yuǎn)傳和隔離,，因此往往用于現(xiàn)場的干擾較為嚴(yán)重,、且信號傳輸距離較遠(yuǎn)的場合,。但由于V/F變換的采樣速率較低，在對分辨率,、采樣速率和抗干擾性要求都較高時,，則采用V/F轉(zhuǎn)換技術(shù)往往也難以滿足采樣要求。盡管A/D轉(zhuǎn)換的采樣速率較高,，但由于其抗干擾性較差,，從而使系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和測試精度都會受到影響,，有時甚至無法正常工作,。

        本文提出一種采用PWM技術(shù)的新型的高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方法，利用MCU內(nèi)部的定時器,，結(jié)合改進(jìn)的逐次逼近的對分試探算法,，只須采用普通元器件即可設(shè)計出具有高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)對模擬電壓的測量,，通過實驗證明該設(shè)計能夠達(dá)到較高的精度和分辨率,，電路簡單、可靠,、成本低,、傳輸信號線少，便于遠(yuǎn)傳或隔離,，抗干擾能力強(qiáng),，具有較好的應(yīng)用價值。

2. 基于PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換工作原理及接口電路設(shè)計

        一般模數(shù)轉(zhuǎn)換包括采樣,、保持,、量化和編碼四個過程。采樣就是將一個連續(xù)變化的信號x (t) 轉(zhuǎn)換成時間上離散的采樣信號x (n) ,。通常采樣脈沖的寬度tw 是很短的,故采樣輸出是斷續(xù)的窄脈沖,。要把一個采樣輸出信號數(shù)字化,需要將采樣輸出所得的瞬時模擬信號保持一段時間,這就是保持過程。量化是將連續(xù)幅度的抽樣信號轉(zhuǎn)換成離散時間,、離散幅度的數(shù)字信號,量化的主要問題就是量化誤差,。編碼是將量化后的信號編碼成二進(jìn)制代碼輸出。這些過程有些是合并進(jìn)行的,。例如,采樣和保持就利用一個電路連接完成,量化和編碼也是在轉(zhuǎn)換過程同時實現(xiàn)的,且所用時間又是保持時間的一部分[1],。

        PWM即脈沖寬度調(diào)制，PWM信號是一種周期（T）固定,、占空比變化的數(shù)字信號,。當(dāng)對其進(jìn)行積分或低通濾波后，便可獲得與其脈沖寬度呈正比的模擬電壓,，于是將該電壓作為試探值與被測模擬量進(jìn)行比較便可獲得與被測模擬量相對應(yīng)的PWM值或數(shù)字量,。本設(shè)計是利用定時器產(chǎn)生PWM脈沖輸出信號,，利用比較器作為試探結(jié)果狀態(tài)標(biāo)志，采用改進(jìn)的逐次逼近試探算法來實現(xiàn)對被測模擬量的A/D變換,。由于一般單片機(jī)內(nèi)部都有定時器,，因此可直接利用片內(nèi)定時器來產(chǎn)生PWM信號即可[2]，本設(shè)計采用的是MSP430單片機(jī),，由于其內(nèi)部的定時器A具有比較/捕獲功能,，且內(nèi)部具有多個捕獲/比較器：CCR0--CCRn，因此利用這種功能可更方便的產(chǎn)生PWM信號,，從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,。PWM波形的產(chǎn)生是利用定時器A輸出模式中的“復(fù)位/置位”模式。例如可利用其中的捕獲/比較器CCR0來控制PWM的周期,，而用CCR1通道控制PWM的占空比,，從而可方便的獲得PWM信號，如圖1所示“復(fù)位/置位”模式輸出示意圖,。
 

        由圖1可知,，只要改變CCR1和CCR0的值就可以改變輸出波形的脈沖寬度和脈沖周期，例如,，以CCR0信號作為脈沖周期控制,，當(dāng)CCR1的值改變時即可改變PWM信號的脈沖寬度或占空比，輸出信號就是PWM信號,。如圖2所示[3],。

        若PWM信號的占空比隨時間變化，那么經(jīng)過低通濾波后的輸出信號將是幅度變化的模擬信號,，因此通過控制PWM信號的占空比,，就可以產(chǎn)生不同的模擬信號。本設(shè)計中,，采用MSP430單片機(jī)的定時器A的CCR0來控制周期,，采用CCR1來控制占空比，從而產(chǎn)生所需要的PWM信號,。

        采用PWM技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖3、4所示,。A/D轉(zhuǎn)換通過MSP430單片機(jī)的內(nèi)部定時器A產(chǎn)生的PWM信號,，通過P23口輸出，經(jīng)過兩級RC低通濾波后得到與其對應(yīng)的模擬信號,，然后通過運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換后,，作為試探值送電壓比較器LM393的一端，在比較器的另一端接入被測模擬量,，兩信號在比較器中進(jìn)行比較,，通過檢測比較器的輸出電平狀態(tài)即可反映出試探值的大小,，由比較器的輸出狀態(tài)調(diào)整PWM信號的占空比，產(chǎn)生下一次PWM信號的輸出,，于是通過不斷的試探并修正PWM信號的占空比即可使試探值接近或等于被測量,，則此時的脈沖值即為被測量的A/D轉(zhuǎn)換值，可以達(dá)到16位的轉(zhuǎn)換精度,。另外,，由原理圖4可知，由于整個電路比較簡單且該轉(zhuǎn)換器與系統(tǒng)的連接只有兩條信號線：即PWM信號輸入線和用于將試探值與被測模擬量進(jìn)行比較的比較器信號輸出線,，因此在進(jìn)行抗干擾隔離時將很容易實現(xiàn),，而在采用普通A/D轉(zhuǎn)換器的電路中進(jìn)行抗干擾隔離時則要麻煩的多。

3. 微控制器MCU的選型

        為方便使用和操作,，本設(shè)計不但設(shè)計簡單,，而且功耗要低，因此經(jīng)多方面綜合,、對比決定采用TI公司的具有SOC特點的MSP430系列MCU,，這是一種超低功耗的16位混合信號控制器，其內(nèi)部集成了大量的外圍模塊和溫度傳感器,，特別適用于電池供電的手持式設(shè)備或需要對環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臏y試儀器,。

        MSP430單片機(jī)采用最新的低功耗技術(shù)，工作在1.8～3.6V 電壓下,，有正常工作模式( A M ) 和4 種低功耗工作模式,；在最小功耗模式下其工作電流僅為0.1μA，而且可以方便地在各種工作模式之間切換,。它的超低功耗性在實際應(yīng)用中,， 尤其是在電池供電的便攜式設(shè)備中表現(xiàn)尤為突出。在系統(tǒng)初始化后便進(jìn)入待機(jī)模式,，當(dāng)有允許的中斷請求時,，CPU 將在6μs的時間內(nèi)被喚醒， 進(jìn)入活動模式,，執(zhí)行中斷服務(wù)程序,。執(zhí)行完畢，在RETI 指令之后,，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài),，繼續(xù)低功耗模式。

        本設(shè)計所采用的是MSP430F1232微控制器,，具有非常高的集成度,，除內(nèi)部帶有具有PWM功能的定時器外，片內(nèi)還集成了10通道的1 0位A / D轉(zhuǎn)換,、溫度傳感器,、USART,、看門狗定時器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器DCO,、大量的具有中斷功能的I/O 端口,、大容量的片內(nèi)Flash 和RAM 以及信息Flash 存儲器[4]。其中的16位定時器A中帶有3個捕獲/比較通道,，內(nèi)部的Flash 存儲器可以實現(xiàn)掉電保護(hù)和軟件升級,。由此采用MSP430單片機(jī)作為該設(shè)計的處理器，不但可簡化系統(tǒng)電路設(shè)計,、縮短開發(fā)周期,，降低系統(tǒng)功耗，還可利用其內(nèi)部集成的溫度傳感器,，方便的對被測模擬量進(jìn)行溫度補(bǔ)償,，從而使系統(tǒng)的測試精度得以提高。