基于單片機(jī)的高精度AD轉(zhuǎn)換器

李玉俊，黃 琪

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇 徐州 221116）

對(duì)于很多的電子愛好者來說，經(jīng)常使用的A/D轉(zhuǎn)換器是8位和12位的，尤其對(duì)于參加全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽的學(xué)生來說，基本上使用的都是ADC0808或ADC0809。對(duì)于一般的電子設(shè)計(jì)，8位的A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)足夠，但在某些場(chǎng)合就需要使用更高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，由于A/D轉(zhuǎn)換器隨著其轉(zhuǎn)換精度的提高價(jià)格會(huì)成倍上升，所以在某些要求轉(zhuǎn)換精度高但對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間要求不高的場(chǎng)合，可以搭建一些較為簡(jiǎn)單的電路來提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度。筆者介紹兩種提高A/D轉(zhuǎn)換精度的方法。在某些特定的場(chǎng)合，8位A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度堪比12位的A/D轉(zhuǎn)換器[1]。

1 轉(zhuǎn)換原理簡(jiǎn)介

目前使用較多的是8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，其相應(yīng)的工作原理[2]可以使用如圖1所示。

圖1 逐次比較性AD轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)原理圖Fig．1 Structure principle diagram of AD converter

當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)作用后，時(shí)鐘信號(hào)先通過邏輯控制電路使N位寄存器的最高位DN-1為1，以下各位為0，此二進(jìn)制代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓U0送到比較器與輸入的模擬電壓Ux比較。 若 Ux＞U0，則保留這一位；若 Ux＜U0，則 DN-1位置 0。DN-1位比較完畢后，再對(duì)DN-2位進(jìn)行比較，控制電路使寄存器DN-2為1，其以下各位仍為0，然后再與上一次DN-1結(jié)果一起經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后再次送到比較器與Ux相比較。 如此一位一位地比較下去，直至最后一位D0比較完畢為止。 最后，發(fā)出EOC信號(hào)表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。進(jìn)而使用單片機(jī)控制下一次的A/D轉(zhuǎn)換。經(jīng)N次比較后，N位寄存器保留的狀態(tài)就是轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)。（注：EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志位，“0”表示正在轉(zhuǎn)換，“1”表示A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束。OE：輸出允許信號(hào)，當(dāng)向OE端輸入一個(gè)高電平時(shí)，這時(shí)便可讀取結(jié)果。這些位都可由單片機(jī)連實(shí)現(xiàn)精確的控制。）

通常來說當(dāng)選用的A/D轉(zhuǎn)換器確定后，相應(yīng)的分辨率也就確定了，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換精度也同時(shí)確定了[3]。此時(shí)，提高A/D轉(zhuǎn)換芯片的精度通常有兩種方法，一種方法是將量程進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，即根據(jù)輸入信號(hào)VIN的大小，將其放大，然后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；另一種方法是實(shí)時(shí)控制參考電壓VREF，即根據(jù)VIN的大小，實(shí)時(shí)改變A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓VREF。以上兩種方法都可以達(dá)到提高AD轉(zhuǎn)換精度的目標(biāo)。

方法一：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換量程

圖2 動(dòng)態(tài)改變量程電路圖Fig．2 Circuit diagram of changing the range dygnamically

假設(shè)ADC的分辨率為8位，電源電壓V=5 V，那么在輸入信號(hào)在 0～5 V 變化范圍內(nèi)， 其分辨率=5 V/（28-1）=19．6mV，也就是說A/D的分辨率為19．6 mV。但是當(dāng)輸入信號(hào)在0～2．5 V 時(shí)，此時(shí)將信號(hào)放大一倍，即 9．80mV 放大到 19．6 mV，其分辨率提高了1倍。

在量程擴(kuò)大后，對(duì)其進(jìn)行電壓補(bǔ)償，保持量程不變，可以提高A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)。例如，在輸入電壓為0～1．25 V之間時(shí)，此時(shí)不引入補(bǔ)償電壓；當(dāng)信號(hào)在1．25～2．5 V之間變化時(shí)，這時(shí)引入 1．25 V 的補(bǔ)償電壓，使用差分放大器將在 1．25～2．5 V之間的電壓編程在0～1．25 V之間的電壓，并將其放大4倍，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這樣就能使8位A/D轉(zhuǎn)換器變?yōu)?0位A/D轉(zhuǎn)換器。本方法是用4個(gè)電阻進(jìn)行分壓，故可以將位數(shù)提高兩位，若使用8個(gè)電阻進(jìn)行分壓可以將位數(shù)提高3位。使用的分壓電阻越多，理論上提高的精度越高，但是同樣電路就會(huì)更加復(fù)雜，程序同樣也會(huì)復(fù)雜，建議將AD轉(zhuǎn)換芯片的精度2-3位即可。

方法二：實(shí)時(shí)改變參考電壓VREF

假設(shè)ADC的分辨率為8位，參考電壓為5 V，輸入信號(hào)的變化范圍為 0～5V， 此時(shí) ADC 的分辨率=5V/（28-1）=19．6mV。當(dāng)輸入電壓在0～2．5 V之間時(shí)，通過使用軟件的方法將參考電壓改為 2．5 V，這樣，分辨率就為=5 V/（28-1）=9．80 mV，從而使分辨率提高1倍。筆者著重討論方法一，方法二不做詳細(xì)介紹。

圖3 實(shí)時(shí)改變參考電壓電路圖Fig．3 Circuit diagram of changing the voltage in real-time

電壓的選擇標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

2 應(yīng)用實(shí)例——數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)

1）實(shí)現(xiàn)兩次轉(zhuǎn)換的電路連接：8個(gè)精密等值的電阻R2～R9，將0-5 V的電壓分為 8檔，則每檔電壓為0．625 V，從各檔引出的線接8通道模擬開關(guān)74HC4051，模擬開關(guān)的控制端 CBA 分別接 P3．6，P3．5，P3．4 口。 LM324A 構(gòu)成電壓跟隨器，LM324B構(gòu)成差分放大器。

表1 電壓選擇參考Tab.1 Reference of voltage choice

圖4 系統(tǒng)原理框圖Fig．4 Block diagram of system principle

2）ADC0808的接口連接：START是A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，為上升沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清0，為下降沿時(shí)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。ALE為地址鎖存允許信號(hào)輸入端。START，ALE都接單片機(jī)的P3．0口。OE為輸出允許控制端，接單片機(jī)的P3．1口。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳。EOC=0時(shí)開始轉(zhuǎn)換，EOC=1時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束，接單片機(jī)P3．2口。CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，要求時(shí)鐘頻率＜＜750 kHz， 接單片機(jī)的 P3．3 口。 ADDA，ADDB，ADDC為地址線，用來進(jìn)行通道的選擇。ADDB，ADDC接地。選擇如表2所示。

表2 通道選擇Tab.2 Choose the passageway

3）現(xiàn)實(shí)模塊的連接：?jiǎn)纹瑱C(jī)的 P1．0，P1．1，P1．2，P1．3 分別接共陰極數(shù)碼管的位選端的 1，2，3，4。單片機(jī)的 P2．0～P2．7 接數(shù)碼管的 A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，DP 接口。

3 模型分析

11位A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)是通過2次8位A/D轉(zhuǎn)換完成的[5]。這些模擬量是輸入通道復(fù)用1個(gè)采樣保持器進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。參考電壓VREF可以來自外部也可以來自于內(nèi)部VDD。A/D轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近式，轉(zhuǎn)換結(jié)果（8位）存入寄存器。在A/D轉(zhuǎn)換前必然選擇適當(dāng)?shù)耐ǖ溃O(shè)置足夠的采樣時(shí)間。可以通過設(shè)置A/D控制寄存器來控制A/D轉(zhuǎn)換過程，同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)也會(huì)在IN0中體現(xiàn)出來。先將待轉(zhuǎn)換的電壓Vi送到IN0通道做一次A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量由軟件算出Vi在哪檔中。再將Vi減去Vi所在檔的電壓，將所得差值放大8倍，使之變?yōu)?～5 V的電壓信號(hào)，將其在送入IN1通道在積分一次，所得的8位數(shù)字量就是11位A/D轉(zhuǎn)換的低8位，而檔位CBA就是高3位。下面舉個(gè)例子進(jìn)行說明：

假設(shè)輸入的電壓Vi是4 V，先通過IN0通道做一次A/D轉(zhuǎn)換，所得的結(jié)果是204，即4/5×255=204，對(duì)應(yīng)8位數(shù)字量位11001100[6]。將低5位屏蔽掉，即得11000000，循環(huán)右移5次的到00000110，這時(shí)低三位對(duì)應(yīng)的就是Vi=4 V電壓所對(duì)的檔位，即第6檔，CBA=110。通過程序?qū)BA從P3口輸出，用來控制8選1模擬通道開關(guān)，是74HC4051輸出3．75 V。該電壓經(jīng)LM324A跟隨，再經(jīng)LM324B放大。調(diào)整電阻，使放大倍數(shù)為 8 倍。則 LM324B 的輸出電壓為 Vo=8×（4-3．75）=2 V，選擇IN1通道進(jìn)行第二次A/D轉(zhuǎn)換，所得的結(jié)果01100110，這就是11位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的低8位。檔位110為11位A/D轉(zhuǎn)換的高3位，合起來就是11位A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果11001100110。

4 誤差比較分析

將只進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換所引起的理論誤差與進(jìn)行兩次A/D轉(zhuǎn)換所引起的理論誤差進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表3所示。（表3只列出典型的電壓值）

表3 （8位精度與11位精度）誤差理論比較Tab.3 Error com parison（eight precision and eleven precision）

從上表中可以看出提高后的轉(zhuǎn)換誤差要比提高前地轉(zhuǎn)換誤差小很多，從而說明了該方案的可行性。

可以看出轉(zhuǎn)換精度的提高是以犧牲轉(zhuǎn)換時(shí)間為代價(jià)的，本來只需轉(zhuǎn)換一次的時(shí)間變成現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)化兩次的時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間明顯上升了。所以對(duì)于一些需要快速進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，本方法并不適用，建議不要選擇本方法。那時(shí)就需要選擇高速度，高精度的A/D轉(zhuǎn)換芯片。

5 結(jié)束語

筆者將提高A/D轉(zhuǎn)換精度的方法與單片機(jī)相結(jié)合，簡(jiǎn)單明了，并且有很大的實(shí)用性。對(duì)于單片機(jī)愛好者和參加電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生來說具有比較好的參考價(jià)值[7]。

筆者創(chuàng)新點(diǎn)：說明了兩種提高A/D轉(zhuǎn)換精度的方法，并將提高精度的具體的方法實(shí)際應(yīng)用到數(shù)字電壓表中，并對(duì)其提高前和提高后的轉(zhuǎn)換精度進(jìn)行了對(duì)比，說明了該方案的可行性。

該方案的適合場(chǎng)合：對(duì)A/D轉(zhuǎn)換精度的要求超過8位的A/D轉(zhuǎn)換器所能滿足的要求，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求不太高的場(chǎng)合，文中所論述的兩種方法有很實(shí)際的用途。

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