由于當(dāng)前12位以上的A/D轉(zhuǎn)換器價格昂貴，人們正在尋找新的途徑來取代它，而V/F變換器便是一種較好的選擇。由于V/F變換器具有高精度、高線性度的特點，如美國模擬器件公司的ADVFC32(國產(chǎn)型號為5GVFC32)，在滿度頻率為10 kHz時的非線性誤差僅為0.005 %FSR，而AD650可達(dá)0.002%FSR，而且外電路簡單。因此用V/F變換器可以制成精度高，價格低廉的高性能A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率可達(dá)16位以上。在速度要求不太高的場合是很適用的，如用于稱重、壓力等各種傳感器信號的高精度數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中?？梢灶A(yù)見，以V/F變換器制成的高精度A/D轉(zhuǎn)換電路在不久的將來將成為微計算機的一種具有競爭性的接口電路。

用V/F變換器作A/D轉(zhuǎn)換時，通常由一些硬件電路如振蕩器、二分頻器、計數(shù)器和門電路等組成，而由計數(shù)器計得的計數(shù)值，即A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，再通過接口電路送入微計算機進(jìn)行處理，較為復(fù)雜和不便;或者采用F/BCD變換電路，將V/F變換器輸出的頻率信號變?yōu)锽CD碼，再通過接口電路送入微計算機，也較為復(fù)雜，而且還要對BCD碼進(jìn)行變換。這些方法成本都較高。

現(xiàn)介紹一種以單片機直接與V/F變換器接口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的方法，無需額外的硬件電路，完全利用單片機內(nèi)部的硬件資源，簡單方便，成本最低，大大地提高了V/F變換器作為A/D轉(zhuǎn)換電路的可行性。

當(dāng)前，單片機特別是INTEL公司的51系列單片機已在智能儀器儀表和過程控制等方面得到廣泛應(yīng)用，已取代280，因此A/D轉(zhuǎn)換電路與單片機的接口方法也是人們所關(guān)注的。本文主要介紹V/F變換器ADVFC32作高分辨率A/D轉(zhuǎn)換時與51系列單片機(如8031等)接口的硬件和軟件。

一、硬件接口電路

ADVFC32與51系列單片機的硬件接口電路如圖1所示。圖中是輸入電壓信號為正時的情況。在輸入信號為負(fù)時，只要把電阻R1、R3接地，從第14腳直接輸入即可。AD650的電路與ADVFC32的外電路相似。關(guān)于這兩種芯片的引腳排列及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等請參考有關(guān)手冊。

由圖1可見，接口電路非常簡單，只要把V/F變換器輸出的頻率信號直接送到單片機8031的定時器1的計數(shù)輸入端T即可。其設(shè)計思想為：從傳感器來的mV級電壓信號經(jīng)運算放大器放大到0～10 V的電壓后，加到ADVFC32的輸入端，從頻率輸出端，OUT輸出的頻率信號加到單片機8031定時器1的計數(shù)輸入端Tl上。在單片機內(nèi)部由定時器作計數(shù)器時，由定時器1對輸入脈沖計數(shù)。定時器O的定時時間由要求的A/D轉(zhuǎn)換分辨率設(shè)定。因為定時器O在工作方式1時為16位定時器，所以最長的定時時間為：

式中：foc為單片機晶體振蕩器的振蕩頻率，如foc=12 MHz，則

如要求的定時時間超過這一數(shù)值，定時器產(chǎn)生溢出中斷，可用單片機內(nèi)部RAM的存儲單元作軟件計數(shù)，則可延長定時時間。

8031的定時器1作計數(shù)器使用時，可計數(shù)的外部脈沖最高頻率為單片機晶體振蕩器振蕩頻率的1/24，即

等于ADVFC32的最高允許工作頻率，故單片機8031的內(nèi)部定時器TO和Tl滿足對定時和計數(shù)的要求。

另外，單片機的定時器在作計數(shù)器使用時，要求外部輸入脈沖的寬度至少為一個機器周期的時間。8031的一個機器周期等于12個振蕩周期，即V/F變換器輸出信號的脈沖寬度應(yīng)

而ADVFC32的輸出脈沖寬度為(0. 1～0. 15/ FMax)μs，其中fmax為滿度時輸出頻率。如fmax=100 kHz，則輸出脈沖寬度為：

滿足對脈沖寬度的要求。如fmax再提高，則脈沖寬度變小，需將脈沖展寬，如接一個555定時器等，然后再接到單片機上。

一次A/D轉(zhuǎn)換所須計數(shù)的脈沖數(shù)和定時器的定時時間是由所要求的分辨率決定的。

設(shè)分辨率為12位，則脈沖數(shù)=212 =4 096個。ADVFC32的最高工作頻率fmax有三種：

10 kHz、100 kHz和500 kHz。現(xiàn)取fmax=100 kHz，則其脈沖周期

類似地，對于其他分辨率，由計算得出：

●分辨率為13位，脈沖數(shù)=8 192，定時時間=81. 92 ms;

●分辨率為14位，脈沖數(shù)=16 384，定時時間=163. 84 ms;

●分辨率為15位，脈沖數(shù)=32 768，定時時間=327. 68 ms;

●分辨率為16位，脈沖數(shù)=65 536，定時時間=655. 36 ms;

●分辨率為16.6位，脈沖數(shù)=100 000，定時時間=1s。

所以在fmax=100 kHz時，如定時時間為1s，則其A/D轉(zhuǎn)換的分辨率超過16位。但實際上對分辨率的選取應(yīng)按實際的需要而定，過高的分辨率將使A/D轉(zhuǎn)換的速度下降。

為便于計算，現(xiàn)以最大脈沖數(shù)=20 000為例進(jìn)行設(shè)計，則定時時間=200 ms，根據(jù)式2X-20 000，可求出分辨率為

即分辨率大于14位，滿足一般對高分辨率的要求。定時時間為200 ms，可轉(zhuǎn)換4～5次每秒，相當(dāng)于雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間，亦不算太長。

定時器O的初值計算如下：

設(shè)定時器0工作在方式1，為16位定時器。

①機器周期=12Toc=12×l/fc=12×1/(12×106)=1 μs

②16位定時器的最長定時時間為216×機器周期-65 536×1μS= 65. 536 ms

現(xiàn)取整數(shù)值，設(shè)定時器0的定時時間=50 ms，則定時器O溢出4次即為200 ms，在定時器0溢出中斷程序中，由軟件計數(shù)4次即可。

③定時器O在定時時是對機器周期進(jìn)行計數(shù)，定時50 ms的機器周期數(shù)=50 ms/1μs=5 000。

④定時器0可計的最大機器周期數(shù)= 216=65 536，故定時器O的初值=65 536 - 50 000=15 536-3CBOH

設(shè)定時器1也工作在方式1，為計數(shù)器狀態(tài)，是16位計數(shù)器，最多可計216= 65 536個脈沖，而外部輸入的最大脈沖數(shù)=20 000<65 536，無溢出，故定時器1不必開中斷。

二、A/D轉(zhuǎn)換軟件

根據(jù)上述分析，得出A/D轉(zhuǎn)換的流程圖如下圖所示。在程序中，定時器1的低8位TL1和高8位TH1的值即為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，為二進(jìn)制數(shù)，分別進(jìn)入單片機8031的內(nèi)部RAM單元31H和32H中暫存;然后即可對此結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如標(biāo)度變換等;或輸出顯示。本程序為一次A/D轉(zhuǎn)換的程序，如需多次A/D轉(zhuǎn)換，只須稍加修改，使其重復(fù)運行，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入不同的RAM單元，然后再加以處理即可。在程序中以內(nèi)部RAM的30H單元作為定時器0溢出次數(shù)的計數(shù)緩沖器，定時器O每溢出一次，30H的內(nèi)容溢出中斷服務(wù)程序便加1.當(dāng)30H的內(nèi)容為4時，轉(zhuǎn)換結(jié)束。

此外，在中斷服務(wù)程序中要給定時器O重置初值，并且修正在重置初值前定時器已運行的.7個機器周期。因為在中斷服務(wù)程序中沒用到累加器及其他寄存器，所以不必進(jìn)行保護現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場等操作。

A/D轉(zhuǎn)換的程序如下：

A/D轉(zhuǎn)換主程序

用單片機實現(xiàn)編碼器VD5026的工作時序