單片機A/D轉換工作原理及優(yōu)缺點分析方案

　　單片機應用于工業(yè)控制等方面時，經(jīng)常要將電流、電壓、溫度、位移、轉速等模擬量轉換成數(shù)字量，然后在單片機內(nèi)作進一步運算和處理，完成相應的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)輸出，達到分析和控制的目的。

　　隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，很多單片機都有內(nèi)置A/D模塊，因此，單片機的A/D轉換可以用內(nèi)置A/D模塊也可以用外置A/D電路完成，現(xiàn)談談單片機A/D轉換的工作原理及優(yōu)缺點，并分析提高A/D轉換精度的方法。

　　1 A/D轉換的工作原理及優(yōu)缺點

　　(1)單片機片內(nèi)A/D轉換單片機片內(nèi)A/D轉換是利用單片機的內(nèi)置A/D模塊，通過選擇不同的模擬量通道進行A/D轉換?？梢詫⒛M量直接輸入到單片機對應的輸入腳，外圍電路簡單。轉換后的數(shù)據(jù)直接保存在片內(nèi)寄存器中，數(shù)據(jù)提取方便。但大多數(shù)單片機的內(nèi)置A/D模塊只有8位和10位，無法進行高精度的A/D轉換，原理如圖1所示。

　　(2)單片機片外A/D轉換單片機外置A/D轉換是單片機通過一定的邏輯電路控制外置A/D轉換電路進行A/D轉換，外圍電路相對復雜。單片機將轉換結果通過一定的時序讀取到單片機中，按要求通過選擇A/D轉換電路，可以實現(xiàn)高精度的A/D轉換(可以達到14位、16位、22位甚至更高)，原理如圖2所示。

　　2 提高A/D轉換精度的方法要提高A/D轉換的精度，選用高精度的外部A/D轉換器當然可以達到要求，除此之外，有沒有其他方法呢?答案是肯定的。以下介紹幾種利用片內(nèi)A/D轉換模塊提高轉換精度的方法。

　?、僖圆杉妷簽槔僭O需要采集0.0～400.0 V直流電壓，單片機A/D模塊的基準電壓VREF+取5.0 V，VREF-取0 V，需要采集的電壓經(jīng)過衰減，變成0.0～5.0 V，連接電路如圖3所示。顯然，如果要達0.1 V的精度，則A/D轉換的分辨率必須小于1/4000，而片內(nèi)A/D模塊一般為10位，分辨率僅為1/1 024，達不到要求。由于模擬量(O～400V電壓)輸入大多不是穩(wěn)定值，會有波動，為了得到更高精度的數(shù)據(jù)，可以將多次采集的數(shù)據(jù)累加后再取平均值(其實即使分辨率達到要求的A/D轉換也要經(jīng)過累加再取平均值，以得到更穩(wěn)定的數(shù)據(jù))。如果每間隔一定時間采集的10位數(shù)據(jù)為Di，取64個這樣的數(shù)據(jù)累加后再除以16，就可以得到12位的數(shù)據(jù)D，即

　　這時D的分辨率是1/212=1/4 096。這樣，就得到了更高精度的數(shù)據(jù)。

　　但是，如果模擬量(0～400V電壓)輸入值非常穩(wěn)定，每間隔一定時間采集的10位數(shù)據(jù)Di都相同，以上方法就達不到要求了。

　?、谌绻贏/D轉換過程中要得到局部更高精度的數(shù)據(jù)，例如檢測蓄電池充放電過程中的電壓，電壓范圍是0～18 V，一般精度達到0.02 V即可，但用戶更關心8～13 V的電壓，8～13 V內(nèi)精度要達到0.01 V。為了解決這個問題，設計了原理如圖4所示的電路。

　　單片機有內(nèi)置10位A/D模塊，Ui(0～20 V)電壓經(jīng)過R1、R2、P1衰減得到0～5 V的電壓，該電壓直接送到單片機的AN1輸入口，即VAN1=Ui/4。U2A接成減法運算電路，即U2A 1端電壓VU2A1=VAN1-2 V=Ui/4-2 V=(Ui-8 V)/4。U2B接成4倍放大電路，U2B 7端的電壓VU2B7=VU2A×4=Ui-8 V。AN2輸入并聯(lián)一只5 V穩(wěn)壓二極管，以保證當輸入電壓大于8 V時，單片機AN2可以得到O～5 V電壓。

　　單片機先采集AN1的數(shù)據(jù)，通過采集的數(shù)據(jù)判斷輸入電壓是否在8～13 V之間，如果不在8～13 V，則采集到的數(shù)據(jù)就是模擬量(U)對應的數(shù)字量(D：000H～3FFH)，精度為20 V/2010=20 V/1 024≈0.02 V，電壓數(shù)據(jù)U=D×0.02 V;如果采集的數(shù)據(jù)在8～13 V之間，單片機再采集AN2的數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)加上8 V就是模擬量(U)對應的數(shù)字量(D：000H～3FFH)，精度為(13-8)V/210=5 V/1 024≈0.005 V，電壓數(shù)據(jù)U=8 V+D×0.005 V。這樣，在8～13 V之間的A/D轉換精度就大大提高了。