谈谈如何提高单片机的模数转换精度

引言

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。

结语

随着工业自动控制的不断发展，单片机在工业自动控制的应用也越来越广。本文介绍的提高A／D转换精度的工作原理在实际应用中具有一定的使用价值，特别是通过简单的模拟运算电路，可以局部提高A／D转换精度。利用这个原理，如果将模拟量分段放大，也可以全范围提高A／D转换精度。这种方法在A／D转换领域有较好的应用前景。

参考文献

1. 蔡纯洁.杨维坚 PIC 全系列单片机原理与开发 2003
2. 王道宪 Microchip PIC系列单片机原理应用开发 2004

作者：福建省建阳市供电有限公司 蓝厚荣 来源：《单片机与嵌入式系统应用》 2009（6）