單片機A/D轉換工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析方案

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

　　隨著(zhù)大規模集成電路的不斷發(fā)展，很多單片機都有內置A/D模塊，因此，單片機的A/D轉換可以用內置A/D模塊也可以用外置A/D電路完成，現談?wù)剢纹瑱CA/D轉換的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，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(diǎn)

　　(1)單片機片內A/D轉換單片機片內A/D轉換是利用單片機的內置A/D模塊，通過(guò)選擇不同的模擬量通道進(jìn)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(jiǎn)單。轉換后的數據直接保存在片內寄存器中，數據提取方便。但大多數單片機的內置A/D模塊只有8位和10位，無(wú)法進(jìn)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(guò)一定的邏輯電路控制外置A/D轉換電路進(jìn)行A/D轉換，外圍電路相對復雜。單片機將轉換結果通過(guò)一定的時(shí)序讀取到單片機中，按要求通過(guò)選擇A/D轉換電路，可以實(shí)現高精度的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(méi)有其他方法呢?答案是肯定的。以下介紹幾種利用片內A/D轉換模塊提高轉換精度的方法。

　?、僖圆杉妷簽槔?，假設需要采集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(guò)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)輸入大多不是穩定值，會(huì )有波動(dòng)，為了得到更高精度的數據，可以將多次采集的數據累加后再取平均值(其實(shí)即使分辨率達到要求的A/D轉換也要經(jīng)過(guò)累加再取平均值，以得到更穩定的數據)。如果每間隔一定時(shí)間采集的10位數據為Di，取64個(gè)這樣的數據累加后再除以16，就可以得到12位的數據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據。

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

　?、谌绻贏(yíng)/D轉換過(guò)程中要得到局部更高精度的數據，例如檢測蓄電池充放電過(guò)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(hù)更關(guān)心8～13 V的電壓，8～13 V內精度要達到0.01 V。為了解決這個(gè)問(wèn)題，設計了原理如圖4所示的電路。

　　單片機有內置10位A/D模塊，Ui(0～20 V)電壓經(jīng)過(guò)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穩壓二極管，以保證當輸入電壓大于8 V時(shí)，單片機AN2可以得到O～5 V電壓。

　　單片機先采集AN1的數據，通過(guò)采集的數據判斷輸入電壓是否在8～13 V之間，如果不在8～13 V，則采集到的數據就是模擬量(U)對應的數字量(D：000H～3FFH)，精度為20 V/2010=20 V/1 024≈0.02 V，電壓數據U=D×0.02 V;如果采集的數據在8～13 V之間，單片機再采集AN2的數據，采集到的數據加上8 V就是模擬量(U)對應的數字量(D：000H～3FFH)，精度為(13-8)V/210=5 V/1 024≈0.005 V，電壓數據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。