摘要：I/F轉換器即電流頻率轉換器，是一種將輸入電流信號按固定的線性比例關系轉換為輸出頻率信號的設備或器件。本文鑒于模擬I/F轉換器的轉換精度有所限制，設計基于ADuC847的I/F轉換器。該設計是將輸入的雙極性電流信號調(diào)理成單極性的模擬電壓信號，并經(jīng)ADuC847的片內(nèi)集成24位Σ-Δ模數(shù)轉換器轉化為單極性的數(shù)字信號。濾波歸零后的雙極性數(shù)字信號通過計算線性比例系數(shù)得出輸出頻率值，頻率信號由ADuC847單片機的PWM0輸出。

關鍵字：ADuC847；I/F轉換器；數(shù)字滑動濾波算法；頻率合成算法

The design of the current-frequency converter based on the ADuC847

Yu Lei, Wang Yanping

(Qingdao University of Science and Technology College of Automation and Electronic Engineering, Qingdao 266042)

Abstract:I/F converter - the current frequency converter, is the equipment or device of putting an input current signal to convert the output frequency signal with a fixed linear proportional relationship. In view of the limit of the analog I/F converter in conversion accuracy, we design the I/F converter based on the ADuC847.First,we convert the bipolar current input signal into a unipolar analog voltage signal ,and ADuC847 chip with integrates 24 sigma-delta analog-to-digital converts the voltage signal into a unipolar digital signal. After digital signal filtering and zeroing, we get the bipolar output frequency value by calculating the coefficient of linear proportion, and the frequency signal output from the PWM0 of the ADuC847 microcontroller.

Key words:ADuC847; current-frequency converter; Digital slide filtering algorithm; Frequency synthesis algorithm

I/F轉換器即電流頻率轉換器是一種將輸入電流信號按線性的比例關系轉換為輸出頻率信號的器件，它廣泛應用在航空航天，遙感遙測，遠距離數(shù)據(jù)采集通信^[1]，工業(yè)領域以及軍事領域等方面，尤其是軍事領域對I/F轉換器的轉換精度有較高的要求。以往的I/F轉換器以模擬電路為主，由于模擬電路各種噪聲溫漂的影響，在轉換精度提高方面有所限制，即使采用補償方式^[2]，轉換精度也才十萬分之六七。隨著數(shù)字電路技術的發(fā)展，國外已經(jīng)有了專用的集成電流頻率轉換芯片。本文針對模擬I/F轉換器在轉換精度方面的不足，設計基于ADuC847單片機的I/F轉換器，該I/F轉換器大部分采用集成器件，通過軟件實現(xiàn)I/F轉換的功能。

1 I／F轉換器的硬件設計

1.1 系統(tǒng)設計總體框圖

 該轉換器由4部分組成：電流輸入及調(diào)理電路、ADuC847主控電路、PWM頻率輸出電路以及供電電路組成。總體框圖如圖1所示。

圖1 I/F轉換器的總體框圖

Fig.1 Overall block diagram of current-frequency converter

1.2 系統(tǒng)工作原理

本設計的設計目標是當輸入電流信號為-60mA～+60mA時，輸出頻率信號為-100KHz～+100KHz，性能要求為轉換精度要小于十萬分之五，輸出頻率相對穩(wěn)定，以及輸出頻率信號能夠較快地跟蹤輸入電流信號。

1.2.1 電流輸入及調(diào)理電路

 輸入電流（-60mA～60mA）流經(jīng)精密電阻（R1和R2），轉換為模擬電壓信號（-6V～+6V）。該模擬電壓信號為雙極性的，AD8275可將該雙極性電壓信號轉換為單極性電壓信號Vout（0.05～2.45V）。R3和C1組成的積分電路起低通濾波作用。電流輸入及調(diào)理電路的電路原理圖如圖2所示，圖3為AD8275的內(nèi)部電路結構^[3]。

圖2 電流輸入及調(diào)理電路

Fig.2 Current input and conditioning circuit

圖3 AD8275內(nèi)部結構

Fig.3 The internal structure of AD8275

由圖2和圖3可以計算出輸入電流與單極性模擬電壓Vout的關系：

Vout = 20 * Iin + 0.5 * Vref_2.5V = 20 * Iin + 1.25        (1)

當輸入電流為-60mA～+60mA時，AD8275的輸出Vout為：0.05V～2.45V。當輸入電流為0mA時，Vout = 1.25V。

1.2.2 ADuC847主控電路

 ADuC847是ADI公司高性能8052內(nèi)核單片機^[4]，該單片機集成片上高性能、低漂移的10通道單極性或5通道雙極性24位Σ-Δ模數(shù)轉換器，3個16位定時計數(shù)器以及兩通道16位PWM模塊。ADuC847還具有高達62KB的片內(nèi)Flash程序存儲器和2304 Byte的片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM。大容量的存儲器為I/F轉換器的算法實現(xiàn)提供了保障。

ADuC847主控電路主要實現(xiàn)對模擬電壓V_IN的AD轉換，將單極性模擬電壓信號V_IN（0.05V～2.45V）轉換成24位單極性數(shù)字量，并實現(xiàn)對采樣信號V_IN數(shù)字量的濾波和歸零處理，使數(shù)字信號可靠穩(wěn)定。通過計算線性比例系數(shù)K，使ADuC847的PWM0輸出頻率信號。圖4只畫出與本設計相關的部分。

圖4 ADuC847相關電路連接

Fig.4 Relevant circuit connection of ADuC847

1.2.3 PWM頻率輸出電路

 頻率信號由PWM0引腳輸出，T0起計數(shù)作用，/INT0即SIGN反映頻率輸出的通道。74LS00為4個2輸入與非門。由圖5得知，當SIGN = 1（高電平）時，F(xiàn)out-始終為高電平，而Fout+輸出頻率，即正通道；當SIGN = 0（低電平）時，F(xiàn)out+始終為高電平，而Fout-輸出頻率，即負通道，從而實現(xiàn)頻率輸出的雙極性。

圖6 PWM頻率輸出電路

Fig.6 PWM frequency output circuit

1.2.4 供電電路

外部輸入直流IN_+5V電源，該電源除了提供給AD8275、ADuC847以及74LS00芯片外，還給ADR421供電，以產(chǎn)生低漂移的+2.5V基準參考電壓，即Vref_2.5V。應當注意：應該在每個芯片的每對電源和地引腳間接1個0.1uF的電容，起到電源濾波作用。

圖7 供電電路

Fig.7 Power supply circuit

2 I/F轉換器的軟件設計

軟件設計包括初始化模塊、AD采集及數(shù)字濾波模塊、頻率計算模塊以及數(shù)字頻率合成模塊。

2.1 初始化模塊

初始化模塊包括ADC的初始化、T0、TIC以及PWM0、PWM1的初始化。ADC采用單極性模式，片內(nèi)PGA = 1，即0～2.56V范圍，以及設置SF = 82，具有50Hz和60Hz陷波作用^[5]，采樣頻率設為16.65Hz.。T0初始化為16位計數(shù)器模式，TIC初始化為1/16s時間間隔定時器模式，PWM0和PWM1初始化為模式1，可變占空比模式。

2.2 AD采集及數(shù)字濾波模塊

該設計采用的是將雙極性模擬電流信號轉換為單極性模擬電壓信號，該單極性模擬電壓經(jīng)AD采樣變?yōu)閿?shù)字量。由于AD轉換采用單極性模式，所以需要進行AD值歸零處理。即當輸入電流為0mA時，獲得的AD采樣值為ZERO_OFFSET，進行計算時，需要將采集的AD值減去ZERO_OFFSET，以實現(xiàn)AD采樣值的雙極性?？梢酝ㄟ^濾波后獲得穩(wěn)定的ZERO_OFFSET。

為了獲得穩(wěn)定的AD采樣值，需要對采樣值進行數(shù)字濾波，本設計采用的是數(shù)字滑動平均濾波算法^[6]。所謂數(shù)字滑動平均濾波，就是新采樣值和過去的N-1個采樣值一起求平均，每新采集一個數(shù)據(jù)便存入暫存區(qū)，同時去掉一個最老的數(shù)據(jù)，保持這N個數(shù)據(jù)始終是最新的數(shù)據(jù)。本設計定義N+1個存儲空間，新采樣值存于第i%(N+1)個空間，每次采樣都加上新采樣值并減去第(i+1)%(N+1)個存儲空間上的采樣值，加和再除以N得平均值，即為濾波后的值。

2.3 頻率計算

線性比例系數(shù)K的計算：當輸入電流為0mA時，可以獲得AD采樣值為0(歸零)，當輸入電流為60mA時，可以獲得AD采樣值為AD_60mA，則

K = 100000/(AD_60mA – 0) = 100000/AD_60mA

輸出頻率Fout = ADC_Value * K;

2.4 數(shù)字頻率合成

計算得到的輸出頻率Fout，若Fout>=0，則SIGN = 1，頻率從Fout+輸出；若Fout < 0，則SIGN = 0，頻率從Fout-輸出。

由于T0是16位計數(shù)器，最大計數(shù)值為65536，故輸出100KHz的頻率至少需要分2次計數(shù)，本設計采用1/16s即16次計數(shù)方式。算法描述如下：

計算得到的輸出頻率Fout，除以16，取整為Fre，精確值為Fre_P，每1/16s時間內(nèi)PWM0發(fā)Fre個脈沖，T0計數(shù)，當T0計數(shù)值達到Fre時，停止PWM0，并計算修正值。因為每1/16s發(fā)Fre個脈沖，少發(fā)了Fre_P – Fre個脈沖（小于1個），當多次累加到1個脈沖時，F(xiàn)re+1，從而可以精確控制輸出脈沖的個數(shù)。

2.5 系統(tǒng)軟件設計流程圖

程序執(zhí)行一次循環(huán)需要1/16s，在這1/16s的時間內(nèi)，單片機需要采集AD值，并進行濾波和歸一化處理以及計算輸出頻率值和每次循環(huán)所需要發(fā)的脈沖值及其精確值，等T0計數(shù)值達到Fre是，停止PWM，并計算修正值，然后等待1/16s時間到，重新開始新的循環(huán)，濾波階數(shù)設為16，輸出脈沖能夠較快的跟蹤輸入電流的變化。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

Fig.8 System software flow chart

3 實驗測試結果

結合模擬I/F轉換器的計算非線性度的公式，測試計算得出I/F轉換器的非線性度，如下表所示：

表1 I/F轉換器的轉換精度測試計算數(shù)據(jù)

Tab.1 Conversion accuracy test data of I/F converter

4 結論

本設計采用的濾波算法可以實現(xiàn)轉換精度要求，當提高輸出頻率時，對應的比例系數(shù)K將會增大，即1Hz對應的AD值將會減小，因此需要采用更好的數(shù)字濾波算法，方能保證轉換精度達到要求，以后的重點工作是設計好的數(shù)字濾波算法，以提高輸出了頻率。

參考文獻：

[1] 張亞薇,張志文.一種高精度I/F變換器的研究[J].生命科學儀器,2009,7(12):52-54.

[2] 趙彤,姜建偉,禹小姣,翟亞偉.一類電流頻率轉換芯片的補償[J].青島科技大學學報(自然科學版),2012,33(1):93-98.

[3] Analog Devices.G=0.2,Level Translation 16-Bit ADC Driver AD8275 DataSheet Rev.0[M]. America:Analog Devices,2008.

[4] 李剛,林凌,何峰.ADuC845單片機原理開發(fā)方法及應用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:20-65.

[5] Analog Devices.MicroConverter Multichannel24-/16-Bit ADCs with Embedded 62 kBFlash and Single-Cycle MCUADuC845/ADuC847/ADuC848 DataSheet Rev.B[M].America: Analog Devices,2005.

[6] 趙毅.數(shù)字濾波的滑動平均法和低通濾波法[J].儀表技術,2001(5):40-46.