談談如何提高單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度

引 言
單片機應用于工業(yè)控制等方面時，經(jīng)常要將電流、電壓、溫度、位移、轉(zhuǎn)速等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后在單片機內(nèi)作進一步運算和處理，完成相應的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)輸出，達到分析和控制的目的。隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，很多單片機都有內(nèi)置A／D模塊，因此，單片機的A／D轉(zhuǎn)換可以用內(nèi)置A／D模塊也可以用外置A／D電路完成，現(xiàn)談談單片機A／D轉(zhuǎn)換的工作原理及優(yōu)缺點，并分析提高A／D轉(zhuǎn)換精度的方法。

1 A／D轉(zhuǎn)換的工作原理及優(yōu)缺點
(1)單片機片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換
單片機片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換是利用單片機的內(nèi)置A／D模塊，通過選擇不同的模擬量通道進行A／D轉(zhuǎn)換?？梢詫⒛M量直接輸入到單片機對應的輸入腳，外圍電路簡單。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)直接保存在片內(nèi)寄存器中，數(shù)據(jù)提取方便。但大多數(shù)單片機的內(nèi)置A／D模塊只有8位和10位，無法進行高精度的A／D轉(zhuǎn)換，原理如圖1所示。

(2)單片機片外A／D轉(zhuǎn)換
單片機外置A／D轉(zhuǎn)換是單片機通過一定的邏輯電路控制外置A／D轉(zhuǎn)換電路進行A／D轉(zhuǎn)換，外圍電路相對復雜。單片機將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一定的時序讀取到單片機中，按要求通過選擇A／D轉(zhuǎn)換電路，可以實現(xiàn)高精度的A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度的方法
要提高A／D轉(zhuǎn)換的精度，選用高精度的外部A／D轉(zhuǎn)換器當然可以達到要求，除此之外，有沒有其他方法呢?答案是肯定的。以下介紹幾種利用片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換模塊提高轉(zhuǎn)換精度的方法。
①以采集電壓為例，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(zhuǎn)換的分辨率必須小于1／4000，而片內(nèi)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(wěn)定值，會有波動，為了得到更高精度的數(shù)據(jù)，可以將多次采集的數(shù)據(jù)累加后再取平均值(其實即使分辨率達到要求的A／D轉(zhuǎn)換也要經(jīng)過累加再取平均值，以得到更穩(wěn)定的數(shù)據(jù))。如果每間隔一定時間采集的10位數(shù)據(jù)為Di，取64個這樣的數(shù)據(jù)累加后再除以16，就可以得到12位的數(shù)據(jù)D，即這時D的分辨率是1／212=1／4 096。這樣，就得到了更高精度的數(shù)據(jù)。

但是，如果模擬量(0～400V電壓)輸入值非常穩(wěn)定，每間隔一定時間采集的10位數(shù)據(jù)Di都相同，以上方法就達不到要求了。
②如果在A／D轉(zhuǎn)換過程中要得到局部更高精度的數(shù)據(jù)，例如檢測蓄電池充放電過程中的電壓，電壓范圍是0～18 V，一般精度達到0．02 V即可，但用戶更關心8～13 V的電壓，8～13 V內(nèi)精度要達到0．01 V。為了解決這個問題，設計了原理如圖4所示的電路。

單片機有內(nèi)置10位A／D模塊，Ui(0～20 V)電壓經(jīng)過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(wěn)壓二極管，以保證當輸入電壓大于8 V時，單片機AN2可以得到O～5 V電壓。單片機先采集AN1的數(shù)據(jù)，通過采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)就是模擬量(U)對應的數(shù)字量(D：000H～3FFH)，精度為20 V／2010=20 V／1 024≈0．02 V，電壓數(shù)據(jù)U＝D×0．02 V；如果采集的數(shù)據(jù)在8～13 V之間，單片機再采集AN2的數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)加上8 V就是模擬量(U)對應的數(shù)字量(D：000H～3FFH)，精度為(13-8)V／210=5 V／1 024≈0．005 V，電壓數(shù)據(jù)U＝8 V+D×0．005 V。這樣，在8～13 V之間的A／D轉(zhuǎn)換精度就大大提高了。

結(jié) 語
隨著工業(yè)自動控制的不斷發(fā)展，單片機在工業(yè)自動控制的應用也越來越廣。本文介紹的提高A／D轉(zhuǎn)換精度的工作原理在實際應用中具有一定的使用價值，特別是通過簡單的模擬運算電路，可以局部提高A／D轉(zhuǎn)換精度。利用這個原理，如果將模擬量分段放大，也可以全范圍提高A／D轉(zhuǎn)換精度。這種方法在A／D轉(zhuǎn)換領域有較好的應用前景。