新器件新技术 ＡＤｕＣ８４７的一类高精度Ｉ／Ｆ转换器的设计 于镭。王衍平 （青岛科技大学自动化与电子工程学院，青岛２６６０４２） 摘要：设计了基于ＡＤｕＣ８４７的一类高精度、高输出的Ｉ／Ｆ转换器。首先，将双极性电流信号转换为双极性差分电压信 号；然后ＡＤｕＣ８４７对该双极性差分电压信号进行Ａ／Ｄ采样，通过对采样信号进行数字滤波，获得较稳定的Ａ／Ｄ值。接 着对零点和满量程进行校正；最后通过数字频率合成算法，由ＰＷＭＯ输出频率信号，而频率的双极性则由７４ＬＳ００实现。 关键词：Ｉ／Ｆ转换器；ＡＤｕＣ８４７；数字滑动平均滤波；数字频率合成算法 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标识码：Ａ Ａ Ｃｌａｓｓ ｏｆ Ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｉ／Ｆ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤｕＣ８４７ Ｙｕ Ｌｅｉ，Ｗａｎｇ Ｙａｎｐｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｎｇｄａｏ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０４２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｈｉｇｈ—ｏｕｔｐｕｔ Ｉ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤｕＣ８４７ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎ— ｖｅｒｔｓ ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｇｎａｌ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｔ ｒｕｎｓ Ａ／Ｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｆｏｒ ｂｉｐｏｌａｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｇｎａｌ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｓｉｇｎａ１．Ｉｔ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ Ａ／Ｄ ｖａｌｕｅｓ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｔ ｃａｌｉｂｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ａｎｄ ｆｕｌｌ ｓｃａｌｅ，ａｎｄ ａｔ ｌａｓｔ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ａｎｄ ｓｐａｎ ａｒｅ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＰＷＭ０ ｏｕｔｐｕｔｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ７４ＬＳ００ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ＡＤｕＣ８４７；ｄｉｇｉｔａｌ ｍｏｖｉｎｇ ａｖｅｒａｇｅ ｆｉｌｔｅｒ；ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 引 言 Ｉ／Ｆ转换器即电流频率转换器，是一种将输入电流信 号按固定的线性比例关系转换为输出频率信号的器件或 装置。它广泛应用在航空航天、遥感遥测、远距离数据采 集通信、工业领域以及军事领域等方面 ］，尤其是军事领 域对Ｉ／Ｆ转换器的转换精度有较高的要求。以往的Ｉ／Ｆ 转换器以模拟电路为主 ］，由于模拟电路各种噪声温漂的 影响，在转换精度提高方面有所限制，即使采用补偿方 式【４］，转换精度也才能达到十万分之六七。随着数字电路 技术的发展，国外已经有了专用的集成Ｖ／Ｆ转换芯片。 而我国在这方面的研究起步比较晚，本文鉴于Ｉ／Ｆ转换器 在各领域的广泛应用，设计基于ＡＤｕＣ８４７的高精度、高输 １，／Ｆ转换器的工作原理 １．１ 设计目标 输入电流信号的范围为一６Ｏ～＋６０ ｍＡ时，输出频率 对应为一１５０～＋１５０ ｋＨｚ，输出频率信号能够较快地跟随 输入电流信号的变化，转换精度要小于十万分之五 １．２ ｉ／ｖ转换电路 基于ＡＤｕＣ８４７的Ｉ／Ｆ转换器是将输入的双极性电流 信号（一６０～＋６０ ｍＡ）经精密电阻网络转换为双极性差 分电压信号。Ｉ／Ｖ转换电路如图１所示。 ５ Ａ ：兰甏 Ｉｉｎ ＡＩＮ２ ｎＦ ＝Ｉ－ｖ＿＋ＩＮ— １町Ａ １ Ｖｒｅｆ３．５ ＝ 一一 出的Ｉ／Ｆ转换器。该方案是将电流变换来的电压信号进 行模数转换，通过对采样信号进行数字滤波，获得稳定的 数字量信号，然后根据线性比例关系计算输出频率，经数 ２４Ｄ ｌ０．１ Ｆ ＡＧＮＤ 图１ Ｊ／ｖ转换电路 字频率合成算法，实现由ＰＷＭ０引脚输出频率信号的功 能，利用７４ＬＳ００实现输出频率的双极性。 转换得到的差分电压信号是基于＋２．５ Ｖ的差分电 压信号，即当输入电流由＋６０ ｍＡ变化到一６０ ｍＡ时，Ｖ敬请登录网站在线投稿 ２０１３年第３期 平谤机 嵌入式系’乞应固 ５３ ＋ＩＮ的电压变化为＋３．７～＋１．３ Ｖ，Ｖ一一ＩＮ的电压变化 范围为＋１．３～＋３．７ Ｖ，而Ｖ一＋ＩＮ～Ｖ一一ＩＮ的电压变 定时计数器ＴＯ、时间问隔计数器ＴＩＣ。ＡＤＣ初始化为连 续采样模式，采样频率为１６．６５ Ｈｚ，输入电压增益为１，即 化范围为＋２．４～ ２．４ Ｖ，即所谓的差分输入。如此设计 是由于ＡＤｕＣ８４７的模数转换器的输入电乐必须大于 ０ Ｖ。差分电压信号经滤波网络直接接到ＡＤｕＣ８４７的 ＡＩＮ１和ＡＩＮ２引脚，其中Ｖｒｅｆ２．５为＋２．５ Ｖ参考电压， 输入电压的范围为 ２．５６～＋２．５６ Ｖ，具有双极性模式； ＰＷＭ初始化配置为ＰＷＭ模式ｌ，可变周期和占空比模 式、且ＰＷＭ时钟为１２．５８ ＭＨｚ；ＴＯ初始化为１６位计数 模式；ＴＩＣ初始化为１／１６ Ｓ定时中断模式。 由ＡＤＲ４２１产生。 ２．２数字滑动平均滤波和零点校正 本设计采用１６阶数字滑动平均滤波算法对采样值进 １．３ Ｉ／Ｆ转换器的功能实现 本设计采用ＡＤｕＣ８４７作为主控芯片，它是基于 行滤波处理，阶数太高，输出频率不能快速地跟踪输入电 流的变化，同时也会占用较大的数据存储器容量；阶数太 ＡＤｕＣ８４７片内集成２４位∑一△高分辨率、低失调漂移和 低增益漂移的模数转换器模块 ，该模块可以实现单极性 或双极性Ａ／Ｄ采样。ＡＤｕＣ８４７是ＡＤＩ公司高性能８０５２ 小，滤波效果不明显，不能保证大电流时输出频率的稳 定性。 内核单片机 ‘，除了高性能的ＡＤＣ模块外，它还有３个１６ 位定时计数器、两通道１６位ＰＷＭ模块以及高达６２ ＫＢ 的片内Ｆｌａｓｈ程序存储器和２ ３０４字节的片内数据ＲＡＭ。 大容量的存储器为Ｉ／Ｆ转换器的算法实现提供了保障。 ＡＤｕＣ８４７可以设置为不同的增益，以满足不同范围 由于ＡＤｕＣ８４７采用双极性采样模式时，０ ｍＡ电流输 入时的采样值在８０００００Ｈ附近，计算时应当进行归零处 理，即当输入０ ｍＡ电流时，数字量输出亦为０；当输入正 电流时，数字量输出为正；输入负电流时，数字量输 为 负。首先，利用数字滑动平均滤波算法获得输入电流为０ ｍＡ时的Ａ／Ｄ采样值ＺＥＲ（）一（）ＦＦＳＥＴ，然后在Ａ／Ｄ采样 的采样电压信号的要求。本设计的增益选择为１，即输入 电压的范围为一２．５６～＋２．５６ Ｖ，满足图１中输入电压信 号的要求。 值的基础上减去ＺＥＲＯ—ＯＦＦＳＥＴ，即可以归零。 ２．３ 比例系数Ｋ的计算 当输入电流为＋６Ｏ ｍＡ时，可以获得此时的Ａ／Ｄ采 ＡＤｕＣ８４７主要实现Ａ／Ｄ采样以及对采样信号进行 数字滤波，按照线性比例关系计算输出频率值，并通过数 样值为ＡＤ一６０ｍＡ（已归零），则比例系数Ｋ的计算公 式为： Ｋ＿－（ＡＤ ６０ｍＡ ＡＤ０ｍＡ）／ｆ—ＡＤ６０ｍＡ／ｆ（１） 字频率合成算法，由ＰＷＭ０输出频率信号。定时计数器 ＴＯ用于对ＰＷＭ０输出的频率信号进行计数，用以控制输 出频率信号的个数。 式中，ＡＤ ６０ｍＡ为转换器输入电流为６Ｏ ｍＡ时的 Ａ／Ｄ采样值；ＡＤ一０ｍＡ为转换器输入电流为０ ｍＡ时的 １．４ ＰＷＭ输出电路 ＰＷＭ频率输出的电路原理图如图２所示。其中： Ｆｏｕｔ接ＡＤｕＣ８４７的ＰＷＭ０引脚，输出ＰＷＭ信号；ＳＩＧＮ 接ＡＤｕＣ８４７的ＩＮＴ０引脚，配合Ｆｏｕｒ实现频率输出的双 极性；／ＳＩＧＮ为ＳＩＧＮ的反 ｌ ７４ＬＳ００ Ａ／Ｄ采样值，此处为已归零的Ａ／Ｄ值，其值为０；ｆ为输出 频率的最大值，此处为１５Ｏ ｋＨｚ。由此可知，实时计算输 出的频率为： ｆ－－ＡＤ＿Ｖａｌｕｅ／Ｋ （２） 相电平信号，由引脚１Ａ和 １Ｂ并联获得；／Ｆｏｕｔ为 式中，ＡＤ—Ｖａｌｕｅ为实时采样滤波后的Ａ／Ｄ值；Ｋ为 Ｆｏｕｔ的反相电平信号，由 引脚３Ａ和３Ｂ并联获得； ＳＩＧＮ ￣ ３；Ｙ。 ４Ａ ￣ Ｆ 一 ４Ｙｏｕｔ ２Ｂ ２Ｙ Ｄ 式（１）中的比例系数。 ２．４数字频率合成 计算得到的频率值可以用于数字频率合成算法，该算 Ｆｏｕｔ＋为正通道ＰＷＭ输 出引脚；Ｆｏｕｔ一为负通道 图２ ＰＷＭ频率输出电路 ＰＷＭ输出引脚。 法实现ＰＷＭ输出特定频率信号的功能。首先，由于ＴＯ 为１６位定时计数器，最大计数值为６５ ５３６，而输出频率信 号为１５０ ｋＨｚ，故ＴＯ在１ Ｓ内至少要计数３次，方能输出 １ ５０ ｋＨｚ信号。本设计采用１６次计数方式，即定时器 ＴＩＣ定时时间为１／１６ Ｓ，在每个１／１６ Ｓ内ＡＤｕＣ８４７需要 采集Ａ／Ｄ值，并对采样值进行数字滑动平均滤波，然后计 频率输出的双极性具体实现为：当ＳＩＧＮ＝１（高电平） 时，Ｆｏｕｔ一始终为高电平，频率由Ｆｏｕｔ＋输出，即正通道； 当ＳＩＧＮ一０（低电平）时，Ｆｏｕｔ＋始终为高电平，频率由 Ｆｏｕｔ一输出，即负通道。 算输出频率值，最后是数字频率合成，即计算ＰＷＭ０（用 ２ Ｉ／Ｆ转换器的软件设计 ２．１ 初始化 本设计使用的模块主要有模数转换器ＡＤＣ、ＰＷＭ、 ５ ４ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ 于确定输出频率的周期）和ＰＷＭ１（用于计算输出频率的 占空ｔＬ）的模值，以及１／１６ Ｓ内ＰＷＭ０所需要发的脉冲个 数的整数值ＰＷＭ—Ｃｏｕｎｔ和精确值ＰＷＭ—Ｐｒｅｃｉｓｅ。每个 ２０ １３年第３期 ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ