基于双ADC同时采样的单片机测量信号处理系统

摘　要：本文从双ADC同时采样可以消除测试电流的误差和漂移对测量结果的影响出发，通过对单片机与两个ADC串行采集等电路和程序的设计，使测量信号处理系统解决了大功率mΩ～μΩ量级直流电阻器传统的量值传递方法和电阻测量方法中存在的问题。

关键词：双ADC；同时采样；单片机；串行采集；误差分析

引言

随着ADC(AD转换器)和单片机技术的发展及其价格的低廉，基于双ADC同时采样的单片机测量信号处理系统(以下简称信号处理系统) ，将在传统的电阻测量装置和电阻测量仪器的技术改造中广泛应用。如在大功率(100A及以上额定电流)mΩ～μΩ量级的直流标准电阻器的量值传递装置和电阻测试仪中，应用该信号处理系统可将传统的过渡传递法中的电阻比的测量创新为电位比的测量，可将伏安法原理的电阻测量创新为比例法测量。由于ADC的转换准确度高，双ADC对被测信号和标准信号同时采样，单片机对两个信号同时处理，因而消除了测试电流误差和漂移对测量结果的影响，提高了装置和仪器的测量准确度。

信号处理系统的原理

基于双ADC同时采样的单片机测量信号处理处理系统的原理框图见图1 。

图1 系统框图

图1中，模拟信号Ux和Un是通过同一测试电流的被测电阻器Rx和校准电器Rn上的电位，其测量公式为Rx =Ux/Un×Rn，Rn为已知。

Ux和Un经放大器ICl和IC2放大后，其信号与ADC的输入范围相匹配。ADCI和ADC2对两个模拟信号同时采样并转换成数字信号，单片机对采集到的两个数字信号按照测量公式Rx=Ux/Un×Rn编制的程序进行处理，处理结果通过相应的接口与显示器、打印机连接，在功能键的控制下显示或打印出测量结果。通过RS-232接口可与外部计算机通讯。

放大器的设计和校准

信号处理系统中Ux和Un一般为mV量级，所选用的ADC的输入范围为0～2V，因此需要放大。放大器的设计主要考虑的参数是β系数和漂移，ICl和IC2选用精密运算放大器ICL7650。β系数根据Un来确定，如Rn为1mΩ，测试电流为100A，则Un=100mV，β系数设计为10。ICL7650的外围电路很简单，只需配置2只电容和两只精密电阻就可达到设计要求。校准时在IC1、IC2的输入端加一个100mV 的标准信号，通过调节ICl、IC2输入端与输出端之间的反馈电阻，使其输出端的信号为1V，误差和漂移为±5×10^-5，在输出端用6位半DVM监测。

单片机与ADC的连接

信号处理系统中ADC的选择依据是：被处理信号的范围、误差和分辩力。一般选用4位半或5位半积分式ADC。如在比例法智能μΩ量级的电阻测试仪中，选用的ADC为4位半的ICL7135。

单片机与两个ICL7135的连接显然不能采用并行连接方式，因为单片机的接口满足不了两个ADC的要求。只能根据ICL7135的特点，采用串行连接即串行采集方式。

ICL7135为双积分式ADC，每个转换周期包括：自动调零、信号积分、反向积分和零积分四个阶段。从信号积分开始，内部逻辑控制电路中(忙碌输出端)BUSY信号为高电平，一直到反向积分结束时才返回低电平。在满足量程1.9999V模拟信号状态下，积分阶段的脉冲数为30002CLK(时钟信号)，其中信号积分阶段的脉冲数为10001，反向积分阶段的脉冲数为20001且反映的是转换结果。因此，对于量程范围内的模拟信号，BUSY等电平的宽度与转换结果具有一一对应的关系。根据ICL7135的这个特点，单片机可以与ICL7135进行串行连接，具体连接图见图2。这种连接方式的电路很简单，在满足两路数据串行采集要求的同时，占用口线少，提高了可靠性，使系统资源得到充分利用。

图2 　单片机与双ICL7135串行连接电路

图2 中，T0和T1为单片机89C58的定时/计数器，其输入端分别与ICL7135/1和ICL7135/2的21脚BUSY输出端连接。89C58的ALE产生的脉冲信号经分频器74LS390分频后接至两个ICL7135的CLK端(22脚)，作为时钟输入信号。T0、T1是否工作将接受BUSY信号的控制，其选通控制信号设定为1，控制字TMOD设置为“05H”。T0、T1计数的积分阶段脉冲减去10001即为A/D转换结果，具体的工作流程见图3 所示。

信号处理过程和方法

单片机采集到两个ADC数据后，依据测量公式Rx=Ux/Un×Rn编制的运算程序对数据进行处理，处理过程和方法如下。

图3 　软件流程图

Rn为已知，可将其实际值对应的二进制数作为常数写入单片机片内ROM中；对采集到的Ux和Un 的转换数据进行除法运算，运算结果存人片内RAM；将常数和除法运算结果从片内ROM和片内RAM 中取出并进行乘法运算，运算结果存人片内RAM1乘法运算结果为最终处理结果。

选用的显示器为4位半点阵LCD显示器。信号的最终处理结果通过单片机的P1口与显示器的带锁存器的译码器驱动芯片连接，显示器显示出存放于单片机片内RAM 中的数码，显示程序的要点是：将显示缓冲区的数码通过P1.0～P1.7依次送人译码驱动芯片，方波信号驱动、方波信号从P317获得，电平交变频率由定时器T1 控制。显示程序包括：主程序和T1 中断服务程序，均为通用程序。

所选用的打印机一般为TPμP型，其输入电路中有锁存器，输出电路中有三态门。打印机的数据总线DB0～DB7与单片机的P0口(P0.0～0.7) 直接连接。单片机用一地址线P2.7来控制打印机的数据选通信号STB或读取打印机“忙”状态信号BUSY状态。打印机口地址为7FFFH。编写打印程序时的主要操作是：采用查询方式判断BUSY线的状态；CPU输出数据时，同时给STB送一个负脉冲，使数据送入打印机锁存。打印程序也为通用程序。

系统中设计了“测量”、“打印”、“复位”三个功能键，通过功能键的操作使相应的程序得到执行。

RS-232接口电路：在单片机的RXD和TXD脚，接人专用电平转换器MCl488进行TTL电平和RS-232电平的转换，通过互连线实现与外部计算机的数据通信。

信号处理系统的误差分析

信号处理系统的数学模型为Rx =B/Rn，B=Ux/Un。它是进行系统的误差分析的基础。如信号处理系统应用于μΩ量级的的智能电阻测试仪中，应根据所配置的Rn、放大器和ADC的技术指标进行具体的误差分析，根据分析结果合理地确定系统或仪器的测量误差。

电阻标准器的误差
如配置的电阻标准器Rn 的标称值为lmΩ、额定电流为100A ，准确度等级为0.05级，则Rn的极限误差为土5×10^-4 。与其相应的常数的误差也为土5×10^-4 。

放大器的误差
放大器的误差包括β系数的误差和漂移。选用前述ICL7650设计的放大器经校准后，该项误差为±5×10^-5。由于Ux和Un为比值关系，当两个放大器的误差符号不同时，则放大器引起的误差可能达到±1×10^-4。

A/D转换误差
所配置的两个ADC为4位半ICL7135，其转换误差为土1×10^-4。同样由于Ux和Un为比值关系，如果ICL7135/1和ICL7135/2的转换误差符号不同，则A/D转换误差可能达到土2×10^-4。

综合误差

上述配置的信号处理系统(仪器)的主要误差来源于：电阻标准器的误差、放大器的误差和A/D转换误差。将这三项误差按均方根法合成，得到的综合误差为：±5.5×10^-4。考虑到信号处理系统(仪器) 的使用环境条件(包括温度、湿度、电磁干扰等) 的影响，应保留一定的误差沉余，在确定系统(仪器) 最终的测量误差时，可将±5.5×10^-4放宽至1×10^-3。从而得到仪器测量误差公式为±(1×10^-3Rx+2字)。

如果信号处理系统应用于大功率mΩ～μΩ量级电阻标准器的量值传递装置中，则应根据配置的Rn、放大器、ADC的技术指标，进行测量不确定度的评定。

结束语

基于双ADC同时采样的单片机测量信号处理系统充分利用了单片机资源，在不提高测试电源条件的情况下，使被测量的量值直接溯源到相应的标准，并提高了测量准确度。通过前级信号的转换，该信号处理系统可广泛应用于其它电参数测量装置和测量仪器中。