双极模拟信号A／D转换的设计及选型

通常A/D转换都需使用A/D转换芯片来实现，MC9S12XS128MAL是飞思卡尔公司HCS12系列16位单片机中的一种，它有8 kB的RAM、128 kB的片内闪存(Flash EEPROM)、2 kB的电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)及多种功能的接口，MC9S12XS128内置的A/D模块是16通道、12位精度、多路输入复用、逐次逼近型的模数转换器，故可省去使用A/D转换芯片而设计的硬件电路，可降低成本，提高了系统的稳定性及可靠性。但单片机的模拟输入端只能接受单极正向模拟信号，不能直接进行双极模拟信号的模数转换，为此必须把双极模拟信号转换成单极正向模拟信号。在一般的设计中，常常要把形如-ui-+ui的双极型模拟信号通过电位平移电路转换成0～5 V单极信号，而这种平移电路会使得A/D转换的精度降低一倍，而且稳定性也降低。而文中采用对称，使得单片机可接收的A/D信号由0～5 V扩大到-5～+5 V，A/D转换的量程扩大了1倍，稳定性也大幅提高。

1、电路设计

   
   图1 总体电路示意图

1.1 设计原理

当输入的信号经放大电路放大后，若信号为正，则二极管1截止，信号无损失地从AD0口输入，同时正的信号经反相器反相后变成负的信号，二极管2导通，所以AD1口接收到的信号为二极管2的正向导通压降的负值，只要这个负值电压的幅度小于A/D口输入的允许值，则由此口采集的A/D值就为0，因此在这种情况下的A/D值就是AD0口的值;

反之，当输入的信号为负值时，二极管1导通，AD0口接收的数据为0，而经反相器反相后的信号为正，二极管2截止，AD1口接收数据。

若AD=AD0-AD1，当信号为正时，AD=AD0-0，为正;当信号为负时，AD=0-AD1，为负。此时，AD可接收的数据由原来的0～5 V扩展为-5～+5 V。

1.2 二极管的选择

若从线性度考虑，应该选择正向压降高的二极管，例如1 N4007。但1N4007的正向压降约为0.7 V，当二极管导通时，对应的A/D口所接收到的信号为-0.7 V，这会烧毁单片机，所以从安全性考虑应该选择压降较低的二极管进行实验。PMEG2010的压降约为0.1 V，1N60的压降约为0.2～0.3 V，均能保护好单片机不被烧坏。在安全性的前提下，分别测量数据分析二极管的线性度。

2、实验与结论

2.1 PMEG2010
   
文中以某种信号为输入信号，测量输出信号和输入信号是否成线性关系。

表1是二极管为PMEG2010是测得的数据，将数据拟合后可得到二极管为PMEG2010时所得曲线，如图2所示。

由图2所示，在零点附近输入与输出之间呈明显的非线性关系。原因是PMEG2010的反相漏电流过大，且漏电流大小与输入信号的大小之间也呈非线性关系，所以测得的数据与输入值之间呈非线性。

2.2 1N60

当把PMEG2010换成1N60后，再次测得一组数据，并分析其线性相关性。

 图2 二极管为PMEG2010时所得曲线

将上述所测得数据拟合后得到图3所示。

  

图3 二极管为1N60时所得测得的曲线

图3是拟合后的曲线，由图可看出输入值和输出值之间呈较好的线性关系，拟合曲线的方程为y=0.049 421 335 942 257 8+2.261 803 178 235 24×x，相关系数为R=0.999 72，可满足一般的测量需要。

3、结束语

经过实验数据验证以及参考相关资料文献，可得出以下结论：(1)本能有效地解决单片机接收单极信号和双极信号的关系，使得单片机可接收并处理双极信号。(2)通过对称电路的设计，使得A/D可接收的信号由原来的0～5 V变为-5～+5 V，有效地扩大了A/D的量程。(3)当二极管选用得合适，能够保证数据的线性关系。(4)设计使用单片机内置的A/D模块，节省了A/D芯片的使用，使得设计成本降低。