基于P87LPC764的Σ

1、基于P87LPC764的吝AADC应用设计方法作者：广州周立功单片机发展有限公司摘 要：习AADC应用设计方法以很低的采样分辨率和很高的采样速率将模拟信号数字化，克服了传统RC充放电电路模拟 ADC受RC误差、PCB分布电容及温度的影响导致一致性太差的缺点。关键词：P87LPC764片内比较器 1-AADC噪声整形 数字滤波一、简介习AADC主要使用数字技术，具有数字系统高可靠性、高稳定性的优点，也为用单片机软件实现ADC提供了可能性。习AADC具有分辨率高、线性度好、抗干扰能力强（对噪声的抑制能力不亚于双积分ADC ）、成本低等不可多得的优点。 习AADC以很低的采样分辨率（1bit）和很高

2、的采样速率将模拟信号数字化，通过使用 采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后，对ADC输出进行采样抽取，以降低有效采样速率。本文研究用低成本单片机实现 8位精度的 吝AADC的软件实现方法，并给出具体线路及源代码。关于16位分辨率ADC实现的技术较为复杂，后续将有文章详细介绍。本方案适用于 PHILIPS 51LPC系列P87LPC760/761/762/764等内含比较器的单片机，经在摩托车车速 里程表、电子秤（人体秤、脂肪秤、厨房秤）、电热水器、电饭锅、消毒碗柜、电冰箱等一系列产品中实 际使用证明：不受 RC器件的误差、PCB板的分布电容及环境温度变化的影响，软件便于无障碍地移

3、植， 测量结果一致性好，实用、可靠、价格低廉，且能够满足大多数速度要求不太高的产品。二、原理习AADC主要由调制器、数字滤波和采样抽取等几部分组成，如图1所示。调制器本质上是一个高速低精度（1bit）的ADC,调制器以非常大的过采样率采样模拟信号。在这个阶段，调制器将输入和输岀之间的 差值（进行一阶或多阶积分（2），结果通过一个量化器（1位ADC ）输岀二进制码流。该码流一方面输 岀给数字滤波，另一方面通过一位DAC后和输入信号比较产生差值信号，继续反馈循环。通过数字滤波和采样抽取，滤除经过调制器整形后的量化噪声，提高系统精度。采样抽取的底限是满足信号无损重建的采 样定律，采样频率大于奈奎斯特

4、频率两倍（fn>2fb ）。樺皿跡入*串行位流&馥孚输出*模直数字图12-AADC组成原理图1. 调制器数学模型图2所示为调制器的组成框图，其中一位A/D的量化器由比较器构成，检测出差值积分后的正负结果转换成1、0的位流。转换过程中会产生基于转换精度的量化误差（±1/2LSB ），它是分布在整个频域范围内的白噪声。调制器数学模型调制器的离散描述如图 3所示积分器在Z域由具有如下传递函数的累加器构成: 系统的Z域描述如下：丫匕)输入信号无损地传到输岀端W(z)=1。量化噪声的传递函数 N(z)=1-z-1，对应于频域的一阶高通滤波器(HP1)，传输特性如图4中HP1线所示

5、。图4噪声传输特性图噪声传输特性图4中HP2线是二阶系统的噪声传输特性。当采用二阶以上系统时，通带内的量化噪声 已基本滤除，噪声被转移到所关心的频带以外，将通过数字滤波去除。2. 过采样对量化噪声的影响奈奎斯特采样时，量化噪声的能谱密度为其中为量化步长，fa为模拟信号经抗混叠低通滤波后的通带频率(=奈奎斯特频率)。通带范围内,噪声电压的有效值为叮，如图5所示。fn-fa(2口“)101g(QSR)dB(1)其有效值6所当以Kfs的采样速率进行过采样时， 奈奎斯特频率增至 Kfs/2,量化噪声位于0(1/2)Kfs之间, 降为原来的&，调制器将噪声转移到 fs/2 kfs/2之间，这部分

6、噪声由数字低通滤波器滤除，如图 示。Kfs数字信号巳数字信号f蓉图6带模拟低通及数字滤波器的采样频谱图3. 信噪比以及精度转换通过以上分析可知，提高调制器的阶数(n)和过采样率(OSR)均可提高系统的信噪比 SNRSNR=101gdB +b位ADC的理想信噪比（动态范围 DR）可用如下方式求得。p 二£二诃信号功率：k2噪声信号功率（白噪声）b fi.02dB+i ,76dB信噪比:由以上关系可得图7所示关联图DR/dB160120804041664 2JS 1024OSR图7信噪比及精度转换关系图图7中，左边纵轴为信噪比 SNR （或动态范围DR），单位为3dB ;右边纵轴为位数；

7、横轴为过采样 率（OSR）。函数线由式（1）计算所得，n为调制器的阶数。右纵轴的分布由式（2）计算所得。DR为信号的动态范围，即最大信号与杂散信号之比。由于此处输入的为理想信号，无谐波分量，杂散信号只有量化噪声，故动态范围即为信噪比SNR。由图7可知，8位ADC的理想信噪比大致为 45dB,采用一阶调制器实现需要大于 64的过采样率。实现 12位精度需要大于380的过采样率,16位需大于2415。三、实现1. 基本方案如图8所示为用单片机实现一阶 1-AADC的原理图，虚线框内为 MCU图8 阶习AADC的基本方案原理图其中，阻抗变换器实际为一跟随器，用于减小信号源内阻的影响。如果不考虑边缘的

8、非线性，积分器 可用简单的RC网络替代，如图9所示。INPUT一位量化爲DAC用口线置高或置低来模拟，需较强的高电平驱动能力。图10所示为用P87LPC764内部比较器实现的必要时可加跟随器。IC1用作普通口线6CMP2/P0.0PDA 贮 IN2BPl.7P0.2CIN2APl.5PO.3A71N1BRST/PL5PO,4JCIH1APO.iCMPREFxiyps.iDDX2/CLKOUT/P2 0 PO.6X：MP1INT1ZP1.4P0.7/T1SDAANT0/P13Pl 0/TxDSCL/TBAPL2Pl ITRxD201?791011413161312P37LPC764BH 123R

9、%10k£R 10kS2C O.lnF! 一位DAG输岀; 护Il图9 一阶习AADC的简化方案原理图一位量化器可用单片机的内部比较器，也可以用普通口线替代，只是不同的单片机口线翻转电平不一 样，测量结果差别很大。一位 8位ADC原理图，比较器偏置在（1/2）VCC，输入信号的内阻必须足够小,图10 8位习AADC的基本方案原理图 ;特殊功能寄存器定义P1M1 DATA 91H ;P1 方式寄存器 1P1M2 DATA 92H ;P1 方式寄存器 2PT0AD DATA 0F6HP0M1 DATA 84H ;P0方式寄存器1P0M2 DATA 85H ;P0 方式寄存器 2CMP1

10、DATA 0ACH ;比较器1控制寄存器CMP2 DATA 0ADH ;比较器2控制寄存器；变量定义；端口定义AD_CON BIT P1.6ORG 0000HAJMP START*START:MOV SP,#60HMOV PT0AD,#24H ; 禁止 CMPREF 、 CIN2AANL P0M2,#0DBHORL P0M1,#24HMOV CMP2,#20H ;CIN2A 为输入端MAINLOOP:LCALL AD_CONVSJMP MAINLOOP.*J;S ADC转换程序; 占用 R2,R3,R4,R5 结果于 A 中.*JAD_CONV:ORL P1M2,#40HANL P1M1,#0

11、BFH ;AD_CON 设为上拉AD_START:MOV R4,#2 ; 循环次数MOV R2,#0 ; 总计数值 256 次AD_TEST:MOV R3,#0 ;TON 计数值 256，开始转换AD_LOOP:MOV A,CMP2JB ACC.1,AD_HIGHSETB AD_CON ; 输出正脉冲NOPNOPSJMP AD_COUNTAD_HIGH:CLR AD_CON ; 输出负脉冲CJNE R3,#255,AD_INCSJMP AD_COUNTAD_INC:INC R3NOPAD_COUNT:LCALL DELAY10usDJNZ R2,AD_LOOP ; 未完成 256次循环，继续D

12、JNZ R4,AD_TESTMOV A,R3 ; 转换完成，存结果于 ARETDELAY10us:MOV R5,#10DJNZ R5,$RET2. 试验结果表1为试验测试报告。测试条件：VCC = 4.92V，晶振12MHz，采用以上线路和源代码。由于没有采用跟随器，结果有些偏差。a 1测试摄告输入电压IV測最值期望值误差00000.0562.593.410 502925.913.091 005451.812.191.5077.720.132 00104103 630 372.5012S131JS-3J33.00153155.44-2.443.501S0181.354.00204210.53-

13、6.534.50229236.84-5S44.92251255-43. 扩充方案（1 ）原理图11所示为一阶 习AADC原理图。该方案由于相对于被测信号量化，被测信号即为比较基准，被测信号和基准之间无电压差，其积分为零，故只对反馈信号求积。电容C的信号围绕Vin上下变化，完成习 ADC差值（）和积分（2）的作用，实现比较巧妙，完全符合一阶3模型。输入信号端加一电阻电容，形成一阶RC低通滤波器，滤除高频杂散信号，有抗混叠滤波的作用，同时也可补偿比较器的失调误 差。抗温叠澹波%Vina1II_ (S 町 QHF LAf/ICU 血口 1星化器% 士积分器CFLpMCU胆口 210kO-位DAU输岀

14、图11 一阶2-ADC的扩充方案原理图图11所示电路，采样频率500kHz （20 gs采样一次），过采样率OSR=256>64，输出数据速率1.95kHz， 采用一级256阶梳状滤波后完全可满足 8位精度的要求。另外，这种电路形式对信号源的输入阻抗没有要求，因而可达到更高的精度。为了进一步认识其工作过程，作一下时域分析。1位DAC输出可看作PWM脉冲。对于RC时间常数远大于脉冲宽度标准PWM信号，有Vin=Vref Ton/（T on+Toff） （1）如果分级地调整波形使较大的时间常数稳定下来，这将消耗很长的时间。如采用对分搜索，可大大加 快计算过程，可能效果会比较理想，但要花费较大

15、的软件资源。这里，我们采用一种新的思路 （2）使用相对小的时间常数，每20gs对比较器作一次采样。VCWin时，输出为正脉冲，反之为负脉冲。这种方法在固定周期内把PWM波形分解成数个小脉冲，代替表示占空比的单脉冲。Vin=Vref 2 Ton/ 2 仃on+Toff） （2）VC在我们把该系统看作一个动态的控制系统，系统动态平衡时，电容的充电电荷等于其放电电荷。Vin上下波动，7C Vin,故充放电公式写作：Vcharge = (Vout VC) 1 exp( t/RC)"(Vout Vin) 1 exp ( t/RC)Vdischarge = (VC VO) 1 exp( t/RC

16、) (Vin VO) 1 exp ( t/RC)令n=Ton脉冲的总次数；m=Toff脉冲的总次数；t=采样时间。则 n (Vout Vin) 1 exp( t/RC)=m (Vin VO) 1 exp( t/RC)解得Vin = (nVout+mVO) / (n+m) (3)其中Vout=Vref Vos,Vos为口线的失调电压， Vref =VCC , VO为口线的低电平电压。所以Vin = nVref /(n+m) (nVos mVO) / (n+m) (4)前面一项为测量结果，后面为误差，方程中不存在RC值，它不是误差因子。比较器的失调电压和口线的失调电压均会影响测量精度。前者使VC不

17、能正确地跟踪 Vin而造成误差。(2)利用P87LPC764内部比较器实现8位习AADC这里，用P87LPC764的内部比较器来实现，如图 12所示。在正确测量之前，必须保证 VC = Vin(实际 有一微小误差)。为此，进行两次测量：第一次使 VC锁定Vin，扔掉测量结果；第二次进行真正测量。8位精度需256个计数。IC1CMP2/P0.0P0.1/CIN2BP1.7P0.2/CIN2AFi.6P0.3/CIN1BRST/P1.5PO.<CIN1AVssP0.5/C MPREFXUF2 1noX2/CLKOUT/P2.0 P0.6/CMP1INTI/Pl .4P0.7/T1SDA/IN

18、T0/PL3Pl.O/TxDSCUT0/F1JPl 1/RW456789101BE16P87LPC764BN 114 ro UF13_=2011图12 8位习AADC的扩充方案原理图图13是8位 吝AADC实现原理流程图预装总计数山 Ton计數0.循环次數2N(Vc>Vin)较刘输出正脉冲输出负际冲*延迟平衡Tw计数器減1恿讦数器减IU息计数器=0A环次数癒上;特殊功能寄存器定义PTOAD DATA 0F6HPOM1 DATA 84H ;P0P0M2 DATA 85H ;P0P1M1 DATA 91H ;P1P1M2 DATA 92H ;P1CMP1 DATA 0ACH ;CMP2 DA

19、TA 0ADH ;；变量定义；端口定义AD_CON BIT P1.7方式寄存器1方式寄存器2方式寄存器1方式寄存器2比较器1控制寄存器比较器2控制寄存器 *>s A AD转换程序;占用R2,R3,R4,R5结果于A中 *AD_CONV:ANL P1M1,#7FHORL P1M2,#80H ;AD_CON 设为上拉MOV PT0AD,#24H ;禁止 CMPREF、CIN2AANL P0M2,#0DBHORL P0M1,#24HMOV CMP2,#20H ;比较器2的CIN2A为输入端AD_START:MOV R4,#2 ;循环次数MOV R2,#0 ;总计数值256次AD_TEST:MO

20、V R3,#0 ;Ton计数值256次，开始转换AD_LOOP:MOV A,CMP2JB ACC.1,AD_HIGHCLR AD_CON ;输出负脉冲DEC R3SJMP AD_COUNTAD_HIGH:SETB AD_CON ;输出正脉冲NOPNOPNOP ;平衡时间AD_COUNT:LCALL DELAY10usDJNZ R2,AD_LOOP ;未完成256次循环，继续DJNZ R4,AD_TESTMOV A,R3 ;转换完成，存结果于 ARETDELAY10us:MOV R5,#10DJNZ R5,$RET表2为测试报告。测试条件：VCC = 4.87V，晶振6MHz采用以上线路和源代码

21、表2测试报告输入电压测量值期望值误差00000.0532.630.370.5026 190.311.005352.360.641.507978.530.47200105104 710 2920131130 890 213.00157.07-0.073.50183183.25-0.254.00209209.42-0.424.50235235.60-0.04.8?254255-1.00由以上结果可知，习 ADC转换具有非常高的准确度和线性度。(3)利用P87LPC764双比较器实现4路A/D2CMP2/PD.0P0.1/OIISPl .7P0.2/CIN2APl .6PD 3/C IN IBRSI

22、7P1.5P0.4/CrNlAVssP0J/CMPRE5X1T2.1V 口X2/CLKOUT/P2.0 PD ®CMPiIHT1/P1.4PO .7fTlSDA/INT0；P1.3Pl 0/TxESCUT0/P1.2Pl.WRxD31716104TC1 P®?LPC7t4BNQ X4lV(rU_U_LLCO.IrF图14 4路8位习AADC的原理图图14为4路8位习AADC原理图。；特殊功能寄存器定义PT0AD DATA 0F6HP0M1 DATA 84H ;P0P0M2 DATA 85H ;P0P1M1 DATA 91H ;P1P1M2 DATA 92H ;P1CMP1

23、DATA 0ACH ;CMP2 DATA 0ADH ;变量定义AD_BUF DATA 30H ;端口定义AD_CON BIT P1.7方式寄存器1方式寄存器2方式寄存器1方式寄存器2比较器1控制寄存器比较器2控制寄存器结果单元AD_4_CH:ANL P1M1,#7FHORL P1M2,#80H ;AD_CON 设为上拉MOV PT0AD,#3EH ;禁止 CMPREF、CIN1A、;CIN1B、CIN2A、CIN2B 数字输入、输出ANL P0M2,#0C1HORL P0M1,#3EHMOV R0,#AD_BUFMOV CMP2,#30H ;比较器2的CIN2B为输入端LCALL AD_STA

24、RT2MOV R0,A ;存第一路结果INC R0MOV CMP2,#20H ;CIN2A 为输入端LCALL AD_START2MOV R0,A ;存第二路结果INC R0MOV CMP1,#30H ;CIN1B 为输入端LCALL AD_START1MOV R0,A ;存第三路结果INC R0当我被上帝造出来时，上帝问我想在人间当一个怎样的人，我不假思索的说, 我要做一个伟大的世人皆知的人。于是，我降临在了人间。我出生在一个官僚知识分子之家，父亲在朝中做官，精读诗书，母亲知书答 礼，温柔体贴，父母给我去了一个好听的名字：李清照。小时侯，受父母影响的我饱读诗书，聪明伶俐，在朝中享有“神童”的

25、称号。 小时候的我天真活泼，才思敏捷，小河畔，花丛边撒满了我的诗我的笑，无可置 疑，小时侯的我快乐无虑。“兴尽晚回舟，误入藕花深处。争渡，争渡，惊起一滩鸥鹭。”青春的我如 同一只小鸟，自由自在，没有约束，少女纯净的心灵常在朝阳小，流水也被自然 洗礼，纤细的手指拈一束花，轻抛入水，随波荡漾，发髻上沾着晶莹的露水，双 脚任水流轻抚。身影轻飘而过，留下一阵清风。可是晚年的我却生活在一片黑暗之中， 家庭的衰败，社会的改变，消磨着我 那柔弱的心。我几乎对生活绝望，每天在痛苦中消磨时光，一切都好象是灰暗的。“寻寻觅觅冷冷清清凄凄惨惨戚戚”这千古叠词句就是我当时心情的写照。最后，香消玉殒，我在痛苦和哀怨中凄

26、凉的死去。在天堂里，我又见到了上帝。上帝问我过的怎么样，我摇摇头又点点头，我 的一生有欢乐也有坎坷，有笑声也有泪水，有鼎盛也有衰落。我始终无法客观的评价我的一生。我原以为做一个着名的人，一生应该是被欢乐荣誉所包围，可我 发现我错了。于是在下一轮回中，我选择做一个平凡的人。我来到人间，我是一个平凡的人，我既不着名也不出众，但我拥有一切的幸 福：我有温馨的家，我有可亲可爱的同学和老师，我每天平凡而快乐的活着，这 就够了。天儿蓝蓝风儿轻轻，暖和的春风带着春的气息吹进明亮的教室，我坐在教室 的窗前，望着我拥有的一切，我甜甜的笑了。我拿起手中的笔，不禁想起曾经作 诗的李清照，我虽然没有横溢的才华，但我还

27、是拿起手中的笔，用最朴实的语言， 写下了一时的感受：人生并不总是完美的，每个人都会有不如意的地方。这就需要我们静下心来 阅读自己的人生，体会其中无尽的快乐和与众不同。“富不读书富不久，穷不读书终究穷。”为什么从古到今都那么看重有学识 之人？那是因为有学识之人可以为社会做出更大的贡献。 那时因为读书能给人带 来快乐。自从看了丑小鸭这篇童话之后，我变了，变得开朗起来，变得乐意同别 人交往，变得自信了因为我知道：即使现在我是只“丑小鸭”，但只要有自 信，总有一天我会变成“白天鹅”的，而且会是一只世界上最美丽的“白天 鹅”我读完了这篇美丽的童话故事，深深被丑小鸭的自信和乐观所折服， 并把故 事讲给了外

28、婆听，外婆也对童话带给我们的深刻道理而惊讶不已。 还吵着闹着多 看几本名着。于是我给外婆又买了几本名着故事，她起先自己读，读到不认识的 字我就告诉她，如果这一面生字较多，我就读给她听整个一面。渐渐的，自己的 语文阅读能力也提高了不少，与此同时我也发现一个人读书的乐趣远不及两个人 读的乐趣大，而两个人读书的乐趣远不及全家一起读的乐趣大。于是，我便发展 “业务”带动全家一起读书现在，每每遇到好书大家也不分男女老少都一拥而上，争先恐后“抢书”，当我说起我最小应该让我的时候，却没有人搭理我。 最后还把书给撕坏了，我生气地哭了，妈妈一边安慰我一边对外婆说：“孩子小， 应该让着点。”外婆却不服气的说：“我这一把年纪的了，怎么没人让我呀？” 大家人你一言我一语，谁也不肯相让 读书让我明白了善恶美丑、悲欢离合， 读一本好书，犹如同智者谈心、谈理想，教你辨别善恶，教你弘扬正义。读一本 好书，如品一杯香茶，余香缭绕。读一本好书，能使人心灵得到净化。书是我的 老师，