1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2003 年 9 月第 18 卷 第 5 期 西 安 石 油 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 )Journal of X i an Petro leum Institute (N atural Science Edition) Sep. 2003V o l. 18 N o. 5收 稿 日 期 : 2002211215作 者 简 介 : 张 玉 杰 (19662) , 男 , 陕 西 武 功 人 , 讲 师 ,
2、硕 士 , 主 要 从 事 自 动 控 制 理 论 研 究 和 单 片 机 及 D SP 的 应 用 与 开 发 .文 章 编 号 : 100125361 (2003) 0520075204过 采 样 2-$ADC 的 原 理 及 单 片 机 实 现 方 法Pr inc iple of oversam pling 2-$ ADC and its im plem en ta tion by a ch ip m icro-com puter张 玉 杰 , 张 攀 峰 , 辛 登 科(陕 西 科 技 大 学 电 气 与 电 子 工 程 学 院 , 陕 西 咸 阳 712081)摘 要 : 论 述 了
3、 过 采 样 2 2$ADC 的 基 本 原 理 及 结 构 , 分 析 了 2 2$ 调 制 器 的 频 域 传 输 特 性 和 系 统 的 信噪 比 , 给 出 了 实 现 不 同 的 A D 转 换 精 度 必 须 满 足 的 条 件 和 用 单 片 机 实 现 2 2$ADC 的 具 体 方 法 和电 路 . 实 际 使 用 表 明 , 该 方 法 测 量 结 果 可 靠 , 具 有 实 用 价 值 .关 键 词 : 模 数 转 换 ; 过 采 样 ; 调 制 ; 单 片 机中 图 分 类 号 : T P274+ 12 文 献 标 识 码 : A过 采 样 2 2$ADC 是 近 年
4、来 得 到 迅 速 发 展 的 一种 A D 转 换 方 法 , 它 是 以 极 高 的 采 样 速 率 将 模 拟 信号 转 化 为 1 位 高 速 数 据 流 , 通 过 噪 声 整 形 、 数 字 滤 波等 方 法 来 提 高 有 效 分 辨 率 , 然 后 对 ADC 输 出 进 行采 样 抽 取 和 梳 值 , 实 现 正 常 采 样 速 率 下 的 A D 转 换结 果 1, 2 . 由 于 2 2$ADC 中 大 量 地 采 用 数 字 电 路 , 它的 制 造 成 本 非 常 低 . 同 时 , 它 又 具 有 分 辨 率 高 , 线 性度 好 , 抗 干 扰 能 力 强 等
5、一 系 列 优 点 , 因 而 得 到 越 来 越广 泛 的 应 用 .A T 89C2051 单 片 机 是 A tm el 公 司 生 产 的 与M CS251 兼 容 的 20 引 脚 封 装 单 片 机 , 片 内 有 2k 字节 的 EPROM , 128 字 节 的 RAM , 最 高 工 作 频 率 为24 M H z, 口 线 可 直 接 驱 动 L ED. 具 有 低 价 位 高 性 能的 特 点 , 为 很 多 嵌 入 式 控 制 系 统 提 供 了 灵 活 的 解 决方 案 3 . A T 89C2051 单 片 机 内 部 集 成 有 一 个 高 精 度模 拟 比 较
6、器 , 由 于 比 较 器 是 2 2$ADC 中 调 制 器 重 要的 组 成 部 分 , 可 以 考 虑 使 用 A T 89C2051 内 部 的 比较 器 和 适 当 的 外 部 电 路 , 通 过 软 件 实 现 过 采 样 2 2$ADC. 这 种 设 计 是 有 意 义 的 , 它 不 仅 可 以 大 大 地 简化 A D 转 换 电 路 , 而 且 对 前 端 模 拟 电 路 的 要 求 也 降低 了 . 在 要 求 低 成 本 高 精 度 的 场 合 , 这 种 设 计 更 显 示出 它 的 优 越 性 .1 2-$ADC 原 理2 2$ADC 转 换 器 由 前 置 滤 波
7、 器 、 调 制 器 、 数 字 滤波 器 和 梳 值 滤 波 器 组 成 , 2 2$ADC 的 结 构 如 图 1 所示 . 它 是 将 输 入 信 号 通 过 2 2$ 调 制 器 量 化 成 1b it 的高 速 数 据 流 , 再 经 过 数 字 滤 波 和 采 样 抽 取 后 才 得 到最 后 的 结 果 . 和 传 统 的 A D 转 换 相 比 , 其 原 理 和 结构 有 很 大 地 不 同 , 下 面 以 一 阶 2 2$ 调 制 器 为 例 来 说明 2 2$ADC 原 理 .图 1 2-$ADC 的 结 构111 采 样考 虑 一 个 传 统 线 性 ADC 的 频 域
8、 传 输 特 性 . 输 入一 个 正 弦 信 号 , 然 后 以 频 率 f s 采 样 , 按 照 N yqu ist 定理 , 采 样 频 率 至 少 两 倍 于 输 入 信 号 . 在 频 域 内 则 表 现为 一 个 单 音 信 号 和 一 系 列 频 率 分 布 于 0到 f s 2间 的随 机 噪 声 , 即 量 化 噪 声 混 入 到 A D 转 换 器 中 4 . 量化 噪 声 的 功 率 为 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/p R
9、 = 1$2- $2x 2dx = $212, (1)其 中 , $ 为 量 化 步 长 (对 应 A D 转 换 器 的 最 低 位L SB ). 通 常 范 围 内 , 噪 声 电 压 的 有 效 值 为 $ 12.如 果 将 采 样 频 率 提 高 一 个 过 采 样 系 数 k, 即 采样 频 率 为 kf s, 则 N yqu ist 频 率 为 kf s 2, 量 化 噪 声 分布 于 0 到 kf s 2 之 间 , 噪 声 的 分 布 范 围 变 宽 . 由 于 噪声 的 功 率 不 变 , 噪 声 电 压 的 有 效 值 降 为 原 来 的 1 k . 通 过 过 采 样 ,
10、 将 大 量 的 噪 声 转 移 到 f s 2kf s 2 之 间 , 这 部 分 噪 声 可 以 通 过 低 通 滤 波 器 滤 掉(图 2).图 2 量 化 噪 声 分 析设 噪 声 频 谱 在 f s 2 范 围 内 均 匀 分 布 , 信 号 的 带宽 为 f b, 采 样 频 率 为 f s, 可 以 算 出 n 位 分 辨 率 的 A D转 换 器 的 理 想 信 噪 比SN R = 101g p spR= 6b + 1. 8 + 101g (O S R ) ,用 对 数 表 示 为SN R = 6b + 1. 8 + 101g (OS R ) , (2)其 中 ,OS R =
11、f s 2f b 为 过 采 样 率 .通 过 提 高 采 样 率 , 可 以 有 效 地 改 善 A D 转 换 的分 辨 率 . 通 过 上 式 可 以 算 出 , 采 样 频 率 每 提 高 4 倍 ,信 噪 比 提 高 6 dB , 即 相 当 于 A D 变 换 器 的 分 辨 率 提高 1 b it.1. 2 2 2$ 调 制完 全 依 靠 提 高 过 采 样 速 率 来 提 高 分 辨 率 显 然 是不 现 实 的 , 22$ 转 换 采 用 噪 声 成 形 技 术 消 除 这 种 缺陷 . 如 图 3 所 示 , 由 预 测 积 分 器 、 比 较 器 、 D 触 发 器 、比
12、 较 器 和 减 法 器 组 成 $ 调 制 器 . x (t) 是 输 入 信 号 ,xd(t) 是 预 测 积 分 器 的 估 计 信 号 , e (t) = x (t) - xd(t)是 误 差 信 号 , 比 较 器 对 误 差 信 号 进 行 一 位 量 化 , 量 化输 出 经 D 触 发 器 延 迟 一 个 时 钟 周 期 后 , 再 反 馈 到 预测 积 分 器 的 输 入 端 . 若 e (t) 0, 即 x (t) xd(t) , 那么 积 分 器 的 输 出 将 逐 渐 增 加 , 反 之 , 若 e (t) 0, 即x (t) xd(t) , 那 么 积 分 器 的 输
13、 出 将 逐 渐 减 小 . 比 较器 以 频 率 f s 工 作 , 这 样 xd(t) 将 以 x (t) 为 中 心 上 下 波动 , xd(t) x (t).图 3 $ 调 制 器 结 构 图调 制 器 输 出 为 对 应 于 输 入 信 号 的 数 字 码 序 列 ,该 数 字 信 号 是 按 预 测 信 号 与 输 入 信 号 之 差 进 行 编码 . 信 号 的 传 输 特 性 可 以 从 频 域 分 析 得 到 , 如 图 4 所示 , 为 $ 调 制 器 的 Z 域 描 述 , 其 传 递 函 数 为Y (Z ) = X (Z ) + E (Z )1 + Z - 1H (Z
14、) = (1 - Z - 1) (X (Z ) +E (Z ) ) , (3)输 出 为 一 阶 差 分 信 号 , 要 恢 复 原 信 号 需 要 对 yd(t) 进行 一 次 积 分 实 现 .图 4 $ 调 制 器 的 Z 域 描 述从 $ 调 制 器 的 的 传 输 特 性 可 以 看 出 以 下 问 题 ,首 先 , 对 直 流 信 号 是 无 法 传 输 到 输 出 端 的 ; 第 二 , 当输 入 信 号 是 一 急 剧 变 化 的 快 变 信 号 时 , $ 调 制 器 中的 预 测 积 分 器 不 会 立 即 跟 上 输 入 的 变 化 , 即 出 现 所谓 的 斜 率 过
15、载 现 象 . 为 此 在 $ 调 制 器 之 前 加 一 积 分器 , 就 构 成 了 2 2$ 调 制 器 . 同 时 在 输 出 端 增 加 一 个 和上 述 积 分 器 相 反 的 微 分 器 , 便 可 以 得 到 和 原 $ 调 制器 相 同 的 输 出 . 如 图 5 所 示 , 输 入 信 号 先 被 积 分 (2的 过 程 ) , 然 后 进 行 $ 调 制 , 这 就 是 22$ 调 制 .图 5 2-$ 调 制 器 结 构 图由 线 性 系 统 理 论 可 知 , 图 5 可 以 进 一 步 简 化 为图 6 结 构 , 这 是 典 型 的 22$ 调 制 器 结 构 .
16、如 图 7 所 示 , 是 2 2$ 调 制 器 的 Z 域 描 述 , 其 频 域传 输 特 性 为Y (Z ) = X (Z ) - Z - 1Y (Z ) H (Z ) + E (Z )= X + E (Z )1 + Z - 1.从 传 输 特 性 可 以 看 出 , 22$ 调 制 器 对 输 入 信 号67 西 安 石 油 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 ) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/图 6 典 型 的 2-$ 调 制 器 结
17、构图 7 2-$ 调 制 器 的 Z 域 描 述是 一 个 全 通 的 网 络 , 而 对 量 化 噪 声 则 是 以 一 阶 差 分方 式 传 递 的 . 因 此 , 22$ 调 制 器 可 以 很 好 地 跟 踪 直 流信 号 和 快 变 信 号 , 克 服 了 $ 调 制 器 的 缺 点 .113 梳 值 滤 波 器从 前 面 的 分 析 中 知 , 量 化 噪 声 被 过 采 样 22$ 调制 器 整 形 后 主 要 分 布 在 信 号 带 通 之 外 . 为 了 降 低 采样 率 并 避 免 在 梳 值 过 程 中 产 生 混 叠 , 需 要 用 逼 近 理想 特 性 的 数 字 滤
18、 波 器 对 调 制 器 输 出 进 行 滤 波 , 从 而获 得 高 分 辨 率 , 采 样 率 为 2f b 的 信 号 . 梳 值 滤 波 器 从调 制 器 输 出 高 速 1 位 数 据 流 中 提 取 可 用 信 息 , 降 低数 据 量 , 从 而 恢 复 信 号 . 同 时 , 移 去 带 外 量 化 噪 声 , 改善 A D 转 换 的 分 辨 率 . 梳 值 滤 波 器 最 常 用 的 是 F IR线 性 相 位 滤 波 器 , 由 于 F IR (有 限 长 ) 滤 波 的 输 入 是1 位 信 号 , 其 中 的 卷 积 和 简 化 为 简 单 的 加 法 运 算 , 降
19、低 了 计 算 的 复 杂 性 , 这 为 在 单 片 机 上 软 件 实 现 F IR滤 波 提 供 了 方 便 .114 系 统 的 信 噪 比由 前 面 分 析 可 知 , 22$ 调 制 器 通 过 反 馈 , 可 使 量化 误 差 控 制 在 $ 内 , 误 差 信 号 的 分 布 范 围 为 2$,量 化 噪 声 的 功 率 由 式 (1) 算 出 , p R = $2 3. 设 频 谱 分布 是 白 色 的 , 则 分 布 于 信 号 带 内 的 噪 声 能 谱 密 度 为p R = p R 2f Bfs= $23 2f Bf s . (5)可 以 算 出 分 布 于 信 号 带
20、 内 的 噪 声 能 谱 密 度 为SN R = p spR= 32P2 ( f s2fB) 3,用 对 数 表 示 为SN R = 10 lg 32P2 + 30 lg (O S R ). (6)随 着 过 采 样 率 的 提 高 , 22$ 调 制 器 可 以 明 显 提高 信 噪 比 , 由 上 式 可 以 算 出 , 实 现 8位 A D 转 换 需 要大 于 64 的 过 采 样 率 , 实 现 12 位 A D 转 换 需 要 大 于380 的 过 采 样 率 .2 2-$ADC 的 单 片 机 实 现 方 法211 电 路 设 计由 前 面 分 析 可 知 , 22$ADC 大
21、量 地 采 用 数 字 技术 来 完 成 A D 转 换 , 这 为 单 片 机 实 现 22$ADC 提 供了 方 便 . 如 图 8 所 示 , 由 A T 89C2051 和 外 部 电 路 组成 的 2 2$ADC 的 电 原 理 图 , 其 中 , 积 分 器 完 成2 2$ADC 的 差 值 和 积 分 作 用 ,A T 89C2051 内 置 模 拟比 较 器 对 积 分 器 的 输 出 的 误 差 信 号 进 行 一 位 量 化 ,数 字 滤 波 和 采 样 抽 取 通 过 软 件 实 现 .图 8 22$ADC 的 原 理 图图 中 , P1. 0 为 模 拟 比 较 器 的
22、 正 输 入 端 (A IN 0) ,P1. 1 为 负 输 入 端 , P3. 6 为 比 较 器 输 出 , 但 P3. 6 没有 外 部 引 脚 . 由 于 比 较 器 输 出 需 要 一 个 时 钟 的 延 时 ,可 以 用 P3. 7 来 模 拟 . 射 随 器 为 阻 抗 变 换 , 用 来 减 小信 号 源 对 测 量 结 果 的 影 响 .当 输 入 电 压 在 1 4 V 范 围 内 时 , 积 分 器 可 以 简化 为 RC 网 络 , 而 不 考 虑 边 沿 的 非 线 性 . 如 图 9 所示 .212 程 序 设 计8 位 A D 转 换 精 度 的 理 想 信 噪
23、比 约 为 45 dB ,由 式 (6) 可 以 算 出 , 过 采 样 率 的 最 小 值 为 64. 在 本 设计 中 , 输 入 信 号 电 压 0 5 V , 采 样 频 率 500 kH z, 过采 样 率 为 256, 采 用 一 级 256 阶 梳 状 滤 波 可 满 足 8位 A D 转 换 精 度 .实 现 2 2$ADC 的 程 序 流 程 如 图 10 所 示 . 需 要说 明 的 是 , 按 以 上 要 求 设 计 , 信 号 的 带 宽 约 为 0. 97kH z, 数 据 输 出 率 为 1. 95 kH z. 但 实 际 中 , 使 用 这 种方 法 实 现 A
24、D 转 换 , 当 信 号 为 缓 慢 变 化 的 信 号 , 为了 使 调 制 器 输 出 更 好 地 跟 踪 信 号 的 变 化 , 程 序 中 采77张 玉 杰 等 : 过 采 样 22$ADC 的 原 理 及 单 片 机 实 现 方 法 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/图 9 简 化 的 2-$ADC 的 原 理 图用 了 2 次 测 量 的 方 法 , 第 一 次 测 量 舍 弃 , 而 保 留 第 二次 测 量 结 果 .图 10 2-$
25、ADC 程 序 流 程 图以 下 是 程 序 清 单 :AD CON :M OV R 0, # 2; 循 环 赋 初 值M OV R 1, # 0AD 21:M OV R 2, # 0AD LOO P:JB P3. 6, AD 2; 检 查 模 拟 比 较 器 的 输 出CL R P3. 7; 输 出 负 脉 冲NO PNO PJM P AD 4AD 2: SETB P3. 7; 输 出 正 脉 冲CJN E R 2, # 255, AD 3;JM P AD 4AD 3: IN C R 2NO PAD 4: L CALL D ELA Y 10U S; 延 时 10 秒DJN Z R 1, AD
26、 LOO P; 进 行 256 次 循 环DJN Z R 0, AD 1M OV A , R 2 机 ; 结 果 存 于 A 中R ETD ELA Y 10U S:M OV R 6, # 10DJN Z R 6, R ET3 结 束 语随 着 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 发 展 和 数 字 信 号 处理 技 术 的 理 论 的 日 趋 完 善 , 过 采 样 2 2 ADC 的 方法 受 到 了 人 们 的 普 遍 关 注 . 利 用 单 片 机 实 现 2 2 ADC 适 用 于 信 号 频 率 不 高 , 且 单 片 机 内 CPU 工作 又 不 很 繁 忙 的 系 统 中 ,
27、 它 具 有 电 路 结 构 简 单 , 成 本低 , 易 于 实 现 的 特 点 , 可 满 足 一 般 精 度 的 要 求 . 曾 将以 上 电 路 成 功 地 应 用 于 太 阳 能 热 水 器 控 制 系 统 中 水温 的 检 测 , 其 测 量 精 度 可 以 达 到 015 , 测 量 结 果 可靠 , 具 有 实 用 价 值 . 经 过 近 一 年 的 使 用 , 效 果 令 人 满意 .参 考 文 献 :1 刘 益 成 , 罗 维 柄 . 信 号 处 理 与 过 样 转 换 器 M . 北 京 : 电子 工 业 出 版 社 , 1997. 1212130.2 Pervez M
28、A , H enrik V S, Jan VD S. A n overview ofsigm a2D elta eonvertersJ . IEEE, 1996, 13 (1): 61284. 3 A tm el Co. D ata Sheet 8 bit M icrocontro ller w ith 2Kbytes F lash A T 89C2051Z . 1997. 4 程 佩 青 . 数 字 信 号 处 理 教 程 M . 北 京 : 清 华 大 学 出 版社 , 2000. 66269.编 辑 : 张 新 宝87 西 安 石 油 学 院 学 报 (自 然 科 学 版 ) 1994-
29、2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/has good stab ility in saline so lu tion, and it easily disso lves in alkaline so lu tion. T he reaction so lu tion haslow visco sity, it is easily in jected in to the large po re passages and h igh perm eab ility zo
30、nes of reservo irs,thu s the resin p roduced under fo rm ation temperatu re p lays the ro le of p rofile con tro l agen t o r p lugging a2gen t.Key words: modified u rea2fo rm aldehyde resin; po lyarylam ide; p lugging agen tW A N G X iao2quan, J I W ei (D epartm en t of Chem ical Engineering, X ian
31、 Sh iyou U n iversity, X ian710065, Shaanx i, Ch ina) JXA P I 2003 V. 18 N. 5 p. 61264, 90Study on the syn thesis and properties of octadecyl acryla te-ma ler ic anhydr ide copolym er a s pour po in t de-pressan tAbstract: O ctadecyl acrylate monom er is syn thesized by direct esterification, and it
32、s op tim um syn thet2ic condition s are studied by o rthogonal design and erro r analysis. T hen the copo lym er of octadecyl acrylatew ith m aleric anhydride is ob tained by so lu tion free radical copo lym erization and it is a pou r dep ressan t.T he ratio of monom ers, the quan tity of in itiato
33、 r, reaction temperatu re and reaction tim e are decided to ob2tain the copo lym er w ith h ighest po in t dep ressing capacity. T he resu lts of experim en ts show that w hen themo le ratio of monom ers is 4: 1, m ass fraction of BPO is 0. 9% , reaction temperatu re is 85 , reaction tim eis 10 h, t
34、he copo lym er ob tained has op tim um resu lt of pou r po in t dep ressing. T he pou r po in t of the w axycrude o il of Zhongyuan O ilfield is reduced by 13 w hen the copo lym er of 0. 1% is added.Key words: octadecyl acrylate; pou r po in t dep ressan t; copo lym er; w axy crude o ilL I J u2y uan
35、, Q I Chao2rong , ZH A N G Y ao2jun, et a l (D epartm en t of Chem ical Engineering, X ianSh iyou U n iversity, X ian 710065, Shaanx i, Ch ina) JXA P I 2003 V. 18 N. 5 p. 65267 D esign of switch produc ing en terpr ise resource plann ing system and its im plem en ta tionAbstract: Based on the design
36、 of the en terp rise resou rce p lann ing system developed by the au tho rs fo ra sw itch facto ry, the general p roduction m anagem en t flow of a sw itch p roducing en terp rise and the compo2sition of its resou rce p lann ing system are p resen ted. M any types, comp licated structu re, and diffi
37、cu lt datam anagem en t of the p roducts of a sw itch p roducing en terp rise, and its difficu lt p roduction p lann ing andm anagem en t are all con sidered in the design of the system. T he design of the system is imp lem en ted u singcomponen t techn ique, and the softw are arch itectu re of the
38、system is p resen ted.Key words: en terp rise resou rce p lann ing system ; sw itch p roducing en terp rise; componen t, softw arearch itectu reFA N G M ing , YA N G J in2quan (Compu ter Co llege, X ian Sh iyou U n iversity, X ian 710065, Shaanx i,Ch ina) JXA P I 2003 V. 18 N. 5 p. 68271Im plem en t
39、ing the comm un ica tion between rem ote term ina l un its by RS-232Abstract: T h is paper discu sses the imp lem en tation of the data exchanging betw een differen t remo teterm inal un its by R S2232 serial comm un ication in the p rocess of data gathering and p rocessing in o rder toshare info rm
40、 ation.Key words: serial comm un ication; remo te term inal un it; data gathering; info rm ation sharingT IA N Y a2w ei (Co llege of Compu ter Science, Shaanx i N o rm al U n iversity, X ian 710062, Shaanx i,Ch ina) JXA P I 2003 V. 18 N. 5 p. 72274Pr inc iple of oversam pling 2-$ ADC and its im plem
41、 en ta tion by a ch ip m icro-com puterAbstract: T he basic p rincip le and structu re of oversamp ling 2 2$ ADC are discu ssed. F requency2do2m ain tran sm ission characteristic of 2 2$ ADC modu lato r and signal2to2no ise ratio of the system are ana2lyzed. T he necessary condition to realize A D c
42、onversion of differen t p recision s is determ ined. Besides, thedetailed m ethod and circu it to imp lem en t 2 2$ ADC u sing a ch ip m icro2compu ter are p resen ted. T h ism ethod is p roved reliab le by its p ractical app lication s.Key words: A D conversion; oversamp ling; modu lation; ch ip m
43、icro2compu terZH A N G Y u2j ie, ZH A N G P an2f eng , X IN D eng 2ke (Co llege of E lectric Pow er and E lectron ic Engi2neering, Shaanx i Science2T echno logy U n iversity, X ianyang 712081, Shaanx i, Ch ina) JXA P I 2003 V. 18N. 5 p. 75278Iden tity authen tica ting by using SOAP headerAbstract: T he secu rity of SOA P (simp le ob ject access p ro toco l) is discu ssed. Several m ethods of iden2
