基于Proteus的單片機模數轉換電路的設計與仿真

王 超， 湯吉昀， 宋莉莉

(昌吉學院物理系, 新疆 昌吉 831100)

0 引 言

A/D轉換器在數據采集和實時控制領域具有非常重要的作用，而衡量A/D轉換器的技術指標有很多，比如：分辨率、失調誤差、增益誤差、微分非線性(Differential Nonlinearity, DNL)和積分非線性(Intergral Nonlinearity, INL)等，這些指標對實際應用電路的測量數據準確性分析具有重要的意義，本設計利用Proteus仿真平臺設計了A/D轉換電路并進行了詳細技術指標的分析。

1 A/D轉換電路的設計

圖1 A/D轉換電路圖

2 軟件程序設計

(a) 主程序(b) 轉換子程序

圖2 軟件流程圖

3 仿真分析

3.1 工作時序及轉換時間

圖3中，調節RV1，改變輸入電壓，此時輸入電壓為1.15V，所得的數字量為(1.15/5)×255≈59(合3 BH)，在第4個SCLK采樣，其輸入電壓仍為1.15V，在第5個SCLK時，將輸入電壓變為0.97V，在第8個SCLK啟動A/D轉換，下一個轉換后的數據仍為3BH，可見，在第4個SCLK脈沖的下降沿采樣并且保持，測量Twh的值為389 164 μs～389 126 μs=38 μs，啟動轉換的時間Tconv為17 μs，與芯片使用手冊一致[2,7-9]。

打開Proteus VSM界面調試菜單，單擊Terminal選項，可打開SPI調試器窗口，如圖4所示，借助SPI調試器，可方便地觀察到流經SDO、SDI數據線的數據變化，圖4中在347 426 μs～347 748 μs之間流過的數據為3BH，即TLC549轉換器輸出的數據為3BH，直觀地在SPI監控區域顯示出來，通過輸出指示電路可以觀察到二進制為00111011B=3BH。

圖3 TLC549工作時序圖

圖4 SPI調試圖

調節電位器RV1，利用電壓探針實時測量TLC549輸入的電壓值，SPI調試器實時觀察TLC549轉換的結果，使用Ui=Uref·X/(28-1)(Ui為TLC549的輸入電壓，Uref為轉換的參考電壓，X為轉換后的數字量)計算出模擬輸入電壓的計算值，三者的關系如表1所示。

3.2 失調誤差

失調誤差定義為所有輸出代碼間轉換時都存在的代碼轉換點的偏差[10-13]，對A/D轉換器來說，它將使A/D轉換器轉換曲線向左或者向右移動，因在第1個代碼轉換點測量失調誤差最小，采用尋找第1個代碼轉換點的實際位置與理想位置的差距來求失調誤差，依據測量表2的數據，當輸入電壓為15 mV時，TLC549的的輸出代碼出現了轉折點，而理想的TLC549第1個代碼轉折點出現在(LSB)/2處，即9.75 mV的位置，第一個測量轉折點與理想的轉折點差為5.25 mV，即5.25/19.5=0.269LSB，因該值在理想曲線右側，即轉換器的失調誤差為-0.269LSB，如圖5所示。

3.3 增益誤差

增益誤差為A/D轉換器轉換曲線實際斜率與理想斜率間的偏差[10-11]，計算前，需要減去失調誤差，找出最后1個代碼轉換點位置與理想轉換位置之差即可，A/D轉換器TLC549最后數字量測量表如表3所示，依據表3繪制的增益誤差轉換曲線如圖6所示，由圖6可知，增益誤差為0.282LSB。

在實際的數字測量系統中，增益誤差很容易通過將轉換結果乘以所需的比例因數而得到補償。設計者總是可以使用螺絲刀或微調電位器給模擬信號通道施加增益量或衰減量，從而校正A/D 增益誤差。

3.4 微分非線性(DNL)

微分非線性描述了轉換曲線中任一輸出代碼寬度與1LSB理想代碼寬度之間的偏差[12-13]，在補償了失調誤差和增益誤差后，可通過相鄰代碼轉換點位置只差求得。TLC549測量的第1個值為16.7 mV，計算值為19.6 mV，可以求得理想曲線的第1個轉換點為9.8mV，則第1個理想轉換點與第1個測量點之間差為6.9 mV，測量值的代碼寬度為13.8，與1LSB理想代碼寬度之間的偏差為13.8/19.5-1=-0.292LSB，如圖7所示。正的DNL表示代碼比理想代碼寬長，而負的DNL 表示代碼比理想代碼寬短。

表1 TLC549測量數值表

表2 失調誤差數據表

圖5 失調誤差

表3 增益誤差數據表

圖6 增益誤差

圖7 DNL曲線圖

根據TLC549的芯片使用說明，其DNL=±0.5LSB，1LSB=5/256=19.5 mV，若測量A點對應電壓的讀數為200(電壓為3.9V)，B點對應電壓的讀數為220(4.29 V)，則可以判斷出B點比A點高出390±9.75 mV，而不是390 mV。

3.5 積分非線性(INL)

積分非線性描述了DNL累積的結果，在對所測的轉換曲線增益和失調誤差補償后，A/D轉換器所測量的轉換曲線與理想轉換曲線相比偏離了多少，實際上表示了A/D轉換器件在所有的數值點上對應的模擬值和真實值之間誤差最大的那一點的誤差值，也就是輸出數值偏離線性最大的距離[14-16]。根據TLC549測量數據，在進行補償后，測量的曲線圖如圖8所示。

根據TLC549的芯片使用說明，其INL=±0.5LSB，1LSB=5/256=19.5 mV，若測量A點對應電壓的讀數為200(電壓為3.9 V)，那么真實的電壓值可能分布在(3.9±0.009 75) V之間。

圖8 INL曲線圖

4 結 語

使用Proteus仿真軟件可將A/D轉換過程形象化展現出來，借助Proteus的虛擬設備、仿真圖表等工具可準確測量A/D轉換數據，據此來分析轉換器的性能指標，可幫助學生更好地理解A/D轉換過程，提高實際綜合應用能力。