單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析方案

單片機(jī)應(yīng)用于工業(yè)控制等方面時(shí)，經(jīng)常要將電流、電壓、溫度、位移、轉(zhuǎn)速等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后在單片機(jī)內(nèi)作進(jìn)一步運(yùn)算和處理，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)輸出，達(dá)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(jī)都有內(nèi)置A/D模塊，因此，單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)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?wù)剢纹瑱C(jī)A/D轉(zhuǎn)換的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，并分析提高A/D轉(zhuǎn)換精度的方法。

1 A/D轉(zhuǎn)換的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

(1)單片機(jī)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換是利用單片機(jī)的內(nèi)置A/D模塊，通過選擇不同的模擬量通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。可以將模擬量直接輸入到單片機(jī)對應(yīng)的輸入腳，外圍電路簡單。轉(zhuǎn)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(jī)的內(nèi)置A/D模塊只有8位和10位，無法進(jìn)行高精度的A/D轉(zhuǎn)換，原理如圖1所示。

(2)單片機(jī)片外A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)外置A/D轉(zhuǎn)換是單片機(jī)通過一定的邏輯電路控制外置A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，外圍電路相對復(fù)雜。單片機(jī)將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一定的時(shí)序讀取到單片機(jī)中，按要求通過選擇A/D轉(zhuǎn)換電路，可以實(shí)現(xiàn)高精度的A/D轉(zhuǎn)換(可以達(dá)到14位、16位、22位甚至更高)，原理如圖2所示。

2 提高A/D轉(zhuǎn)換精度的方法要提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，選用高精度的外部A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)然可以達(dá)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(zhuǎn)換模塊提高轉(zhuǎn)換精度的方法。

①以采集電壓為例，假設(shè)需要采集0.0～400.0 V直流電壓，單片機(jī)A/D模塊的基準(zhǔn)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(dá)0.1 V的精度，則A/D轉(zhuǎn)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(dá)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(shí)即使分辨率達(dá)到要求的A/D轉(zhuǎn)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(shí)間采集的10位數(shù)據(jù)為Di，取64個(gè)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(shí)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(shí)間采集的10位數(shù)據(jù)Di都相同，以上方法就達(dá)不到要求了。

②如果在A/D轉(zhuǎn)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(dá)到0.02 V即可，但用戶更關(guān)心8～13 V的電壓，8～13 V內(nèi)精度要達(dá)到0.01 V。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了原理如圖4所示的電路。

單片機(jī)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(jī)的AN1輸入口，即VAN1=Ui/4。U2A接成減法運(yùn)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(dāng)輸入電壓大于8 V時(shí)，單片機(jī)AN2可以得到O～5 V電壓。

單片機(jī)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(yīng)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(jī)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(yīng)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(zhuǎn)換精度就大大提高了。