基于80C196的采样与A/D处理

介质损耗仪是一种测试高压绝缘体性能状况的仪器，原理为从标准通道取得的电信号与被试通道取得的电信号相比较、分析与处理来得出被试体的绝缘状况。被试体可等效为电阻与电容的并联。图1为原理结构图。在分析处理中，需要得出精确的两个通道信号的大小，  和求出两通道信号的相角之差。由于采样环境恶劣与对采样精度的高要求，采样设计应注意：一：采用高的采样频率，拓宽原始信号的频域，保证原始信号的最小失真的采样；二：为克服采样的坏环境和得到高精度的 A/D转换量化值，应选用高精度与高线性度的A/D转换芯片；三：为保证相角差的测量，两个通道应同时开始采样；三DFT处理：为了对采样来的离散点信号进行快速傅立叶变换，采样的时间段为一个周期。在实时采样中采样频率实现的问题上，有多种方案，可以由嵌入式的微处理控制器设定频率触发A/D转换器的采样，像如利用DSP处理芯片其采样周期只有25ns甚至更小；也可设计专门的硬件组成触发电路。在本仪器中是利用一种普通的微控器（80C196）结合锁相环组成的外围硬件触发采样的。下面讲述这种采样的原理与实现。

1 原理介绍

由于单位周期内采样点越多，测得的值就越精确。本设计中一个原始信号周期拟采样512个点，工频的频率为50Hz，所以采样频率大概就是25600Hz，其可包含更宽的原始信号频域，采样更真实。采样就是要把真实的信号存入处理器存贮内，以供处理调用。此全过程有采样触发与A/D转换两个部分。

1.1 采样触发

采样触发图如下：

                            图2 触发电路

上图中LM311是专用的电压比较器，把其设置为过零比较。而VIN2则是通道2原始信号引出来的采样线，其为正弦波，所以LM311输出的为与原始信号频率一致的脉冲方波，送至锁相环4046的AIN引脚。锁相环4046的AIN与BIN为输入，AIN引入采样进来的信号，BIN引入反馈信号。如果比较两路信号其频率不一致，锁相环4046在内部产生一个AIN信号的分或倍频信号（一种脉冲方波）由VCOUT即4脚输出，如BIN的频率大于AIN的频率则倍频反之则分频，此过程一直到AIN与BIN两路信号的频率相等才会稳定。锁相环后的电路是VCOUT连到的倍数器4040输入端A，4040的Q9脚引出信号作为反馈接至4046的BIN端。4040是倍频芯片其Q9引脚的输出信号是输入A端信号的512之倍频。由于4046的AIN与BIN引入频率相同时内部分倍频才稳定，因此VCOUT稳定的输出是AIN输入的512分频，这时锁相环稳定从VCOUT输出采样信号的512分频的脉冲方波。为了触发效果的需要，加一RS触发器74HC123引出OUT触发。OUT触发便输出至两个通道的A/D转换器AD976的R/C脚（SAMPLE），这样可以保证两个通道同时采样。

1.2 A/D转换

A/D转换的硬件连接图如图3（只引出了通道1）。AD976是一种高速度、低电压、16位的模数转换器，其线性误差很小，带有8位并行输出口。A/D转换后的16位数字值分时两次从并行口输出，由外来BYTE脚引入高低电平分别对应读取16位数字信号的高8位和低8位。/BUSY引脚输出的是转换过程的状态，低电平为转换期间，高电平为转换结束，本设计中把此信号作为80C196的高速输入事件的输入，由80C196识别可进入其A/D转换的响应程序。其一次A/D的过程是：微控器识别A/D事件输入后进入响应程序，响应程序中微控器完成16位数据的读取又回到下一次A/D事件的查询状态。在整个采样A /D转换过程中采样周期为19μs左右，AD976转换时间是5~10μs，每次转换之前/BUSY产生一个事件廷迟时间为83ns，转换结束/BUSY 产生一个事件延迟180~360ns，加起来采样费时不超过11μs，所以AD976的响应这种高速采样是没有问题的。转换后的数字数据通过 74HC541锁存送至80C196的P3口，这就完成了信号由采样到存储、由模拟到数字的工作，通过对处理器的编程就可完成这个过程。

2 程序实现

2.1 程序设计

如图4,A/D数据通过锁存器与MCU连接，数据由P3口输入，两个通道ADC的/BUSY引出线/BUSY1与/BUSY2构成输入事件HSI0，两个 ADC的BYTE接I/O口P2.6，两通道 的锁存器地址由系统给出分为CS1与CS2。MCU的程序就是把两个A/D通道转换好的数值读取到MCU 中，其事件响应为查询方式，程序框图如图5。

2.2 采样执行的子程序片段摘录

 
程序执行的结果是要求512个的数据存入处理器指定的RAM内，在上程序中CVTWAIT循环一次就存一个采样点，/BUSY事件等待查询响应很快。一个 CVTWAIT循环周期大概只需要1μs左右（采用20MHz的主频，不计等待的时间），远小于19μs单点采样周期。通过这些程序和在之前介绍的硬件，512点的采样与A/D就可很好的完成。

3小结

在仪器使用过程中，此采样硬件与软件的设计在速度与精度上都达到了仪器的要求，可以说这一采样设计是一个既经济又有效的设计，愚以为能给相关开发者提供一些参考。

参考文献
[1] 何利民 . 单片机应用系统设计 . 第一版 . 北京航天航空大学出版社
[2] http://www.analog.com/productSelection/pdf/AD976_A_c.pdf  C2624c-1-8/99
[3] http://www.intel.com/design/MCS96/MANUALS/27297302.pdf
[4] http://www-s.ti.com/sc/ds/cd74hc4046a.pdf
[5] http://www-s.ti.com/sc/ds/cd74hc4040.pdf