单片机A/D转换工作原理及优缺点分析方案

　　单片机应用于工业控制等方面时，经常要将电流、电压、温度、位移、转速等模拟量转换成数字量，然后在单片机内作进一步运算和处理，完成相应的数据存储、数据传输和数据输出，达到分析和控制的目的。

　　随着大规模集成电路的不断发展，很多单片机都有内置A/D模块，因此，单片机的A/D转换可以用内置A/D模块也可以用外置A/D电路完成，现谈谈单片机A/D转换的工作原理及优缺点，并分析提高A/D转换精度的方法。

　　1 A/D转换的工作原理及优缺点

　　（1）单片机片内A/D转换单片机片内A/D转换是利用单片机的内置A/D模块，通过选择不同的模拟量通道进行A/D转换。可以将模拟量直接输入到单片机对应的输入脚，外围电路简单。转换后的数据直接保存在片内寄存器中，数据提取方便。但大多数单片机的内置A/D模块只有8位和10位，无法进行高精度的 A/D转换，原理如图1所示。

　　（2）单片机片外A/D转换单片机外置A/D转换是单片机通过一定的逻辑电路控制外置A/D转换电路进行A/D转换，外围电路相对复杂。单片机将转换结果通过一定的时序读取到单片机中，按要求通过选择A/D转换电路，可以实现高精度的A/D转换（可以达到14位、16位、22位甚至更高），原理如图2所示。

　　2 提高A/D转换精度的方法要提高A/D转换的精度，选用高精度的外部A/D转换器当然可以达到要求，除此之外，有没有其他方法呢？答案是肯定的。以下介绍几种利用片内A/D转换模块提高转换精度的方法。

　　①以采集电压为例，假设需要采集0.0～400.0 V直流电压，单片机A/D模块的基准电压VREF+取5.0 V，VREF-取0 V，需要采集的电压经过衰减，变成0.0～5.0 V，连接电路如图3所示。显然，如果要达0.1 V的精度，则A/D转换的分辨率必须小于1/4000，而片内A/D模块一般为10位，分辨率仅为1/1 024，达不到要求。由于模拟量（O～400V电压）输入大多不是稳定值，会有波动，为了得到更高精度的数据，可以将多次采集的数据累加后再取平均值（其实即使分辨率达到要求的A/D转换也要经过累加再取平均值，以得到更稳定的数据）。如果每间隔一定时间采集的10位数据为Di，取64个这样的数据累加后再除以16，就可以得到12位的数据D，即

　　这时D的分辨率是1/212=1/4 096。这样，就得到了更高精度的数据。

　　但是，如果模拟量（0～400V电压）输入值非常稳定，每间隔一定时间采集的10位数据Di都相同，以上方法就达不到要求了。

　　②如果在A/D转换过程中要得到局部更高精度的数据，例如检测蓄电池充放电过程中的电压，电压范围是0～18 V，一般精度达到0.02 V即可，但用户更关心8～13 V的电压，8～13 V内精度要达到0.01 V。为了解决这个问题，设计了原理如图4所示的电路。

　　单片机有内置10位A/D模块，Ui（0～20 V）电压经过R1、R2、P1衰减得到0～5 V的电压，该电压直接送到单片机的AN1输入口，即VAN1=Ui/4。U2A接成减法运算电路，即U2A 1端电压VU2A1=VAN1-2 V=Ui/4-2 V=（Ui-8 V）/4。U2B接成4倍放大电路，U2B 7端的电压VU2B7=VU2A×4=Ui-8 V。AN2输入并联一只5 V稳压二极管，以保证当输入电压大于8 V时，单片机AN2可以得到O～5 V电压。

　　单片机先采集AN1的数据，通过采集的数据判断输入电压是否在8～13 V之间，如果不在8～13 V，则采集到的数据就是模拟量（U）对应的数字量（D：000H～3FFH），精度为20 V/2010=20 V/1 024≈0.02 V，电压数据U=D×0.02 V;如果采集的数据在8～13 V之间，单片机再采集AN2的数据，采集到的数据加上8 V就是模拟量（U）对应的数字量（D：000H～3FFH），精度为（13-8）V/210=5 V/1 024≈0.005 V，电压数据U=8 V+D×0.005 V。这样，在8～13 V之间的A/D转换精度就大大提高了。