目前單片機在電子產(chǎn)品中已得到廣泛應用，許多類(lèi)型的單片機內部已帶有A/D轉換電路，但此類(lèi)單片機會(huì )比無(wú)A/D轉換功能的單片機在價(jià)格上高幾元甚至很多，本文給大家提供一種實(shí)用的用普通單片機實(shí)現的A/D轉換電路，它只需要使用普通單片機的2個(gè)I/O腳與1個(gè)運算放大器即可實(shí)現，而且它可以很容易地擴展成帶有4通道A/D轉換功能，由于它占用資源很少，成本很低，其A/D轉換精度可達到8位或更高，因此很具有實(shí)用價(jià)值。
其工作原理說(shuō)明如下：
1、硬件說(shuō)明：
圖一中“RA0”和“RA1”為單片機的兩個(gè)I/O腳，分別將其設置為輸出與輸入狀態(tài)，在進(jìn)行A/D轉換時(shí)，在程序中通過(guò)軟件產(chǎn)生PWM，由RA0腳送出預設占空比的PWM波形。RA1腳用于檢測比較器輸出端的狀態(tài)。
R1、C1構成濾波電路，對RA0腳送出的PWM波形進(jìn)行平滑濾波。RA0輸出的PWM波形經(jīng)過(guò)R1、C1濾波并延時(shí)后，在U1點(diǎn)產(chǎn)生穩定的電壓值，其電壓值U1=VDD*D1/（D1+D2），若單片機的工作電壓為穩定的+5V，則U1=5V*D1/（D1+D2）。
圖一中的LM324作為比較器使用，其輸入負端的U1電壓與輸入正端的模擬量電壓值進(jìn)行比較，當U1大于模擬量輸入電壓時(shí)，比較器的輸出端為低電平，反之為高電平。
2、A/D轉換過(guò)程：
如果使RA0輸出PWM波形，其占空比由小到大逐漸變化，則U1的電壓會(huì )由小到大逐漸變化，當U1電壓超過(guò)被測電壓時(shí)，比較器的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，因此可以認為在該變化的瞬間被測的模擬量與U1的電壓相等。
由于U1的電壓值=VDD*D1/（D1+D2），當VDD固定時(shí)，其電壓值取決于PWM波形的占空比，而PWM的占空比由單片機軟件內部用于控制PWM輸出的寄存器值決定，若軟件中用1個(gè)8位寄存器A來(lái)存放RA0輸出的PWM的占空比值D1，因此在RA1檢測到由“1”變?yōu)椤?”的瞬間，A寄存器的值D1即為被測電壓的A/D轉換值，其A/D轉換結果為8位。如果用16位寄存器來(lái)作輸出PWM的占空比，則A/D轉換值可達到16位。
3、A/D轉換誤差分析及解決辦法：
A/D轉換的誤差主要由以下幾個(gè)方面決定，分別說(shuō)明如下：
（1） 單片機的電源電壓VDD：在該A/D轉換中，VDD電壓是造成A/D轉換誤差的主要原因，如果使VDD電壓精度做到較高，則A/D轉換誤差可以做到很小，在VDD電壓精度為0.5%情況下，實(shí)際的A/D轉換誤差小于1%。
（2） 軟件產(chǎn)生的PWM占空比：若用于產(chǎn)生PWM的軟件設計不良，會(huì )使存放占空比的寄存器值與實(shí)際輸出的PWM占空比不一致，這會(huì )導致測量誤差。
（3） 比較器輸入端的失調電壓：該電壓對A/D轉換精度有一定影響，但影響較小。
（4） RC濾波電路的紋波：在R1、C1取值不當的情況下，U1處的電壓紋波較大，并且延時(shí)時(shí)間不夠，會(huì )使A/D轉換產(chǎn)生誤差，因此R1、C1取值不能太小，但太大又會(huì )影響A/D轉換速度，推薦使用圖一中所示的R1、C1參數，在紋波合理的情況下，其轉換誤差也可通過(guò)軟件消除。
A/D轉換誤差的解決辦法：
（1） 對VDD造成的誤差，只能通過(guò)提高VDD電壓精度來(lái)解決，它相當于A(yíng)/D轉換的基準電壓。
（2） 對于軟件中PWM設計不良導致的誤差，可修改軟件進(jìn)行解決，本文提供了用軟件產(chǎn)生PWM的程序流程圖，實(shí)際使用中可按此流程設計程序。
（3） 對比較器及RC濾波電路的紋波導致的誤差，在軟件中可通過(guò)上、下檢測法進(jìn)行消除，即先將PWM的占空比由小到大變化，使U1電壓由低往高逐漸變化，在比較器輸出端變化時(shí)記錄其A/D轉換值，再將PWM的占空比由大到小變化，使U1電壓由高到低變化，在比較器輸出端變化時(shí)記錄其A/D轉換值，將兩次的A/D轉換值進(jìn)行平均，可有效地消除這兩種誤差。
（4） 對A/D轉換值進(jìn)行數字濾波，如多次轉換求平均值等。數字濾波消除誤差的方法很多，在此不再贅述。
4、A/D轉換速度及提高辦法：
由于該A/D轉換是通過(guò)PWM濾波后再進(jìn)行比較來(lái)完成的，其PWM的產(chǎn)生與濾波都需要一定的時(shí)間，因此其A/D轉換速度較慢，適用于對A/D轉換速度要求不高的產(chǎn)品中，其A/D轉換速度取決于以下幾個(gè)方面：
（1） 單片機的運行速度：?jiǎn)纹瑱C的運行速度越高則PWM的頻率可以越高， RC值就可以取得越小，其延時(shí)時(shí)間也可以更短，轉換速度就更快。
（2） 被測電壓值的大?。河捎赨1電壓時(shí)是由小到大逐漸加大的，當被測電壓值較小時(shí)，U1電壓上升到相應值的時(shí)間就越短，完成A/D轉換的速度就越快。
（3） 初始占空比：初始占空比越高，U1電壓較大，其上升到被測電壓值的時(shí)間也就會(huì )越短，完成A/D轉換的速度也就越快。
由上所述，A/D轉換的速度可以通過(guò)提高單片機的工作頻率，并在預知被測電壓范圍時(shí)盡可能地設置較高的初始占空比值來(lái)加快轉換速度，如果所要求的A/D轉換精度要求不高，還可以在軟件中縮短PWM輸出的延時(shí)時(shí)間來(lái)提高A/D轉換速度。若單片機帶有外部電平變換中斷和定時(shí)器中斷，其A/D轉換的精度和速度還可以得到提高。
5、輸入電壓的測量范圍：
A/D轉換的輸入電壓測量范圍為0V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(guò)電阻分壓后進(jìn)行測量，但其A/D轉換的誤差會(huì )受分壓電阻影響。
6、A/D轉換通道的多路擴展：
圖中所用的運算放大器為L(cháng)M324，該集成電路內部帶有4個(gè)運放，其余3個(gè)運放的輸入端可分別作為另外3個(gè)A/D轉換通道，其輸出端與單片機連接，在軟件上略作修改，就可以在不增加成本的情況下實(shí)現4路A/D轉換。
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