單片機實現(xiàn)低成本A/D轉(zhuǎn)換

在前面的文章中分別介紹了兩種用普通單片機實現(xiàn)低成本A/D轉(zhuǎn)換的方法，這兩種方法中在單片機的外部都要使用到一個比較器，在本文中繼續(xù)向大家介紹低成本的A/D轉(zhuǎn)換的一種方法，只是這種方法成本會更低，而且外部無需使用比較器。此種方法的A/D轉(zhuǎn)換精度不高，只有6～7bit，并且被測電壓范圍較為有限，但在某些精度要求不高，且被測電壓值變化不大的場合也很有實用價值，比如溫度測量方面。

其電路如圖一所示：

其工作原理說明如下：

1、硬件說明：

圖一中的R1、R2和C1構成RC充電電路，被測量通過R1、R2對C1充電。N1為單片機，本電路中采用MICROCHIP的PIC12C508A來舉例說明。C2為給電源供電用的濾波電路，VD1為保護用穩(wěn)壓二極管，以避免輸入電壓過高而損壞單片機。

2、A/D轉(zhuǎn)換過程：

首先GP5輸出低電平，使電容C1上的電量完全放光，隨后GP5即轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎霠顟B(tài)，此時單片機開始計時，被測電壓經(jīng)過R1、R2電阻對電容C1進行充電，電容C1上的電壓會逐漸升高，C1上的電壓U滿足以下公式：

其中U為電容C1上的電壓，E為輸入電壓(被測量)，T=(R1+R2)*C1，t為時間。

當C1上的電壓U達到單片機I/O腳的門嵌電壓時，單片機的GP5由低電平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。記錄從充電開始至此時所經(jīng)過的時間t。

從上式可知，當單片機I/O腳的門嵌電壓、R1、R2、C1值都固定不變時，被測量的電壓值E與時間t呈一一對應關系。

因此測量輸入電壓對C1電容充電到門嵌電壓的時間，進行查表計算，就可以得到被測電壓值，從而實現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。

3、A/D轉(zhuǎn)換誤差分析及解決辦法：

A/D轉(zhuǎn)換的誤差主要由以下幾個方面決定，分別說明如下：

(1)單片機的電源電壓VDD：在該A/D轉(zhuǎn)換中，VDD電壓變化較大時有可能造成I/O口的門嵌電壓發(fā)生變化，不過其影響較小。

(2)單片機內(nèi)部的定時器對C1電容上電壓上升時間的測量偏差：該測量偏差是A/D轉(zhuǎn)換誤差的主要因素。

(3)電阻、電容不穩(wěn)定導致的誤差：當電阻R1、R2或電容C1的值發(fā)生變化時，也會使C1電容的電壓上升至門嵌電壓時間發(fā)生變化，這也將影響A/D轉(zhuǎn)換結果。

(4)單片機I/O腳的輸入阻抗：如果單片機的I/O腳輸入阻抗較低，相當于使RC值發(fā)生變化，也會影響A/D轉(zhuǎn)換結果。

(5)單片機的門嵌電壓：對于不同的單片機，其門嵌電壓可能略有相同，這也會導致測量誤差。

A/D轉(zhuǎn)換誤差的解決辦法：

(1)對VDD造成的誤差，只能通過提高VDD電壓精度來解決，VDD的電壓最好能穩(wěn)定在2%范圍內(nèi)，普通的7805就有2%的穩(wěn)壓精度。

(2)對單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生的誤差，可以增加RC值，從而使C1電容上電壓上升時間延長，計數(shù)器測得的值較大，誤差會較小。不過R值若太大，受I/O口輸入阻抗影響也會較大。

(3)R1、C1選用精度較高較穩(wěn)定的電阻、電容，或增加一個微調(diào)電阻器來解決。

(4)若單片機I/O腳輸入阻抗較低，可以減小R1、R2電阻，增加C1電容來解決。

4、A/D轉(zhuǎn)換速度及提高辦法：

由于該A/D轉(zhuǎn)換是通過被測值經(jīng)過一個電阻對電容充電使電壓到達門嵌電壓后測量充電時間來得到A/D轉(zhuǎn)換值的，因此其A/D轉(zhuǎn)換速度會比較慢，它適用于對A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高的產(chǎn)品中，其A/D轉(zhuǎn)換速度取決于以下幾個方面：

(1)RC值：當RC值太大時，測量速度會較慢，減小RC值可以提高A/D轉(zhuǎn)換速度，但由于計數(shù)時間較短，測量誤差會增大。

(2)被測電壓值的大小：由于C1上的電壓U是由小到大逐漸加大的，當被測電壓值較小時，U電壓上升到門嵌值的時間就越長，完成A/D轉(zhuǎn)換的速度就越慢。反之被測電壓越高，測量速度越快。

由上所述，A/D轉(zhuǎn)換的速度可以通過減小RC值來提高。若單片機帶有外部電平變換中斷，其A/D轉(zhuǎn)換的精度還可以得到提高。

5、輸入電壓的測量范圍：

A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓測量范圍為單片機門嵌電壓至單片機的電源電壓(VDD)，若需要提高被測電壓范圍，可將輸入電壓通過電阻分壓后進行測量，但其A/D轉(zhuǎn)換的誤差會受分壓電阻影響。

6、單片機的A/D轉(zhuǎn)換應用實例：

下圖為采用PIC12C508實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的應用實例，圖中用4個發(fā)光二極管來作相應的電壓值范圍指示。其電壓測量范圍為1.4V至2.55V，其測量精度為10mV。

該應用實例與原程序可參考MICROCHIP公司的單片機應用筆記，該文件可從MICROCHIP網(wǎng)站上下載。

擴展閱讀：單片機入門經(jīng)驗談