MSCl21OY5的便携式高分辨率电子温度计

2 硬件设计
2．1 微处理器MSCl210Y5
MSC1210Y5是美国德州仪器公司(Texas Instru―ments)推出的集成数字／模拟混合信号的高性能芯片。芯片集成了大量的模拟和数字外围模块，具有很强的数据处理能力，对要求体积小、集成度高、运算速度快和精确测量的产品是理想的选择。该芯片可广泛用于智能传感器、智能变送器、工业过程控制系统、高精度测重装置、液／气色谱分析、便携式仪器等领域。
MSC1210Y5具有很高的模拟和数字集成度。它内部集成了一个24位的∑一△模／数转换器(ADC)、8通道多路开关、模拟输入通道测试电流源、输入缓冲器、可编程增益放大器(PGA)、温度传感器、内部基准电压源、8位微控制器、程序／数据Flash存储器和数据RAM等。
MSC1210Y5内部集成的温度传感器，可以用来测量温度。它的温度测量原理基于公式：

temp=αxVolts-282.14 (1)

利用公式(1)可以把电压转换为摄氏温度。Volts为ADC测得的电压，α为实验测定的系数，等于2 664．7。
MSC1210Y5内部集成的24位分辨率的∑一△模／数转换器部分由模拟多路开关(MUX)、可选择缓冲器(BUF)、可编程增益放大器(PGA)、基准电压源、二阶∑一△调制器和数字滤波器等组成。用户通过控制相应的特殊功能寄存器位就可以控制模／数转换器的所有功能，也可以根据需要将其关闭以降低功耗。
在高精度的测量中，往往对分辨率的要求比较高(16位以上)，而传统的Nyquist型ADC(如积分型、逐次比较型、闪烁型等)将面临一系列严重的问题，例如需要复杂的高阶模拟混叠滤波器、定时及幅度误差都极小的采样保持电路等，实现起来困难极大，成本很高。而近年来兴起的∑一△型A／D转换器却能以较低的成本获得极高的分辨率(16位以上)；同时，由于∑一△型ADC主要使用了数字技术，除具有数字系统的可靠性和稳定性高等优点以外，还具有线性度好、抗干扰能力强、成本低廉等特点。另外，由于∑一△型ADC采用了过采样技术，不需要抗混叠滤波器，有的还可以直接接收来自传感器的微弱信号，从而节省了信号放大和调整电路。正是由于∑一△型ADC具有这么多优点，因此它在高精度测量中得到了广泛的应用。
∑一△型ADC由两部分构成：第一部分为模拟∑一△调制器，它是∑一△型A／D转换器的核心；第二部分为数字抽取滤波器。图2给出了∑一△型ADC的组成框图。

图3为∑一△调制器简化原理框图。MSC1210Y5的调制器是一个单回路二阶调制器。调制器的时钟频率(即模拟信号采样频率)fMOD是从晶振频率中分频得到的。其分频倍数可以通过模拟时钟寄存器(ACLK)的FREQ4～O设置，计算公式如下：

fMOD=[晶振频率/（FREQ+1）]/64
这样当晶振频率为11．059 2 MHz时，如果FREQ=8，那么模拟信号采样频率为19 200 Hz。
数据输出速率可由下面的公式得出：
数据输出速率一模拟采样频率／抽取因子
抽取因子可以通过寄存器ADCON2和ADCON3设
置。如果ADCON2和ADCON3的设定值为1 920，那么采样数据的输出率为19 200 Hz／1 920=10 Hz。由于抽取因子比较高，故抗噪声性能增强。
MSC1210Y5的ADC有3种数字滤波器――快速稳定滤波器、Sinc2滤波器和Sinc3滤波器，用户可以通过ADC控制寄存器1(ADCON1)的SMl～SM0(ADCON1．5～4)位来选择一种具有不同稳定模式的数字滤波器。快速滤波器、Sinc2滤波器和Sinc3滤波器的建立时间分别为l、2、3个转换周期，因此当输入通道或PGA的值改变时，通常不会同步输出数据，而要等待几个转换周期才能得到正确的转换结果，因此它们的前1、2、3个采样结果必须丢弃。
为了降低器件和系统的偏移误差和增益误差，往往需要采用校准的方法。MSC1210Y5的ADC提供了5种不同的校准模式。用户可以通过ADCONl寄存器的CAL2～O位来选择校准模式。
ADC转换的时候，可能引入的噪声很多：热噪声、散粒噪声、电源电压变化、基准电压变化、由采样时钟抖动引起的相位噪声以及由量化误差引起的噪声。这些噪声源的噪声功率都是可以改变的。很多技术都可以用来减小噪声，比如改进电路板设计或是在基准电压信号线上加旁路电容。但是ADC总是存在量化噪声，所以一个给定位数的数据A／D转换器的最大SNR由量化噪声(不使用过采样技术时)定义。在正确的条件下，过采样会减小噪声并改善SNR，这将有效地提高测量分辨率的位数。
对于白噪声的情况，采用过采样可以改善信噪比，但是它是以增加CPU的时间和降低数据通过率为代价的。因为在本系统的CPU完全为温度采集服务，并且对实时性要求并非苛刻，所以可以采用过采样的方法来提高精度，并在一定程度上提高温度计的抗干扰能力。MSC1210Y5与ADC相关的特殊功能寄存器(SFR)如表1所列。