基于AVR單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

李金奎 張靜秋

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種利用ATmega8自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器，搭建外圍電路實(shí)現(xiàn)更高AD轉(zhuǎn)換分辨率的擴(kuò)展，結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)換電路穩(wěn)定可靠，價(jià)格低廉，具有11位分辨率，可進(jìn)一步擴(kuò)展，具有良好的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：AD轉(zhuǎn)換；分辨率；ATmega8

AD轉(zhuǎn)換器是一種將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，在測(cè)量領(lǐng)域、現(xiàn)代智能化儀器儀表中占有十分重要的地位，而工程應(yīng)用中為了提高測(cè)量精度，就需要選擇更多位數(shù)的AD轉(zhuǎn)換器，而位數(shù)越高，AD轉(zhuǎn)換器成本越高，難以得到推廣和普及[1]。本文設(shè)計(jì)一種利用ATmega8自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)更高AD轉(zhuǎn)換分辨率的擴(kuò)展，目前已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)中[2]。

1 AD擴(kuò)展原理

擴(kuò)展原理如圖1所示，ATmega8單片機(jī)自帶一個(gè)10位的AD轉(zhuǎn)換器，圖中每一格所代表的AD的分辨率，即1/1 024。為了提高分辨率，利用ATmega8單片機(jī)的兩個(gè)AD通道，各自進(jìn)行一次AD轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換中，每一個(gè)AD通道，轉(zhuǎn)換的參考電壓為VREF，而總轉(zhuǎn)換的參考電壓為V?REF=2VREF。輸入模擬量ui≤2VREF，AD0通道，轉(zhuǎn)換的模擬量在0～VREF；AD1通道，轉(zhuǎn)換的模擬量在VREF～2VREF，AD轉(zhuǎn)換的總數(shù)字量就是兩個(gè)通道數(shù)字量之和，這樣就可以將AD轉(zhuǎn)換分辨率提高到1/2 048，擴(kuò)展成11位的AD轉(zhuǎn)換。

2 AD擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

根據(jù)擴(kuò)展原理，首先要將輸入的模擬量ui分成兩個(gè)部分，第一個(gè)部分0～VREF，第二個(gè)部分VREF～2VREF，然后分別送給單片機(jī)的兩個(gè)AD通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電路如圖2所示，擴(kuò)展電路主要由運(yùn)放、電阻組成一個(gè)放大倍數(shù)為1的減法器和二極管構(gòu)成一個(gè)鉗位保護(hù)電路。AD0通道的輸入電壓為ui；AD1通道轉(zhuǎn)換的輸入電壓為運(yùn)放的輸出電壓u1，在減法器中，要求電阻R1=R2=R3=R4，選擇同一批次精度為1%的10 kΩ電阻，放大倍數(shù)為1的減法器，根據(jù)減法器的原理，可得：

當(dāng)輸入的模擬量ui≤VREF時(shí)，減法器的輸出電壓u1為：u1=ui-VREF≤0，﹣VREF≤u1≤0，由于有二極管鉗位電路，故通道AD1輸入電壓uAD1被鉗位在﹣0.7 V≤u1≤0，保護(hù)AD1轉(zhuǎn)換輸入口，所以AD1通道轉(zhuǎn)換的數(shù)字量DAD1=0x000。通道AD0的輸入電壓為：uAD0=ui≤VREF，AD0通道鉗位電路不起作用，故AD0轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為DAD0，即輸入電壓數(shù)字量D=DAD0+DAD1=DAD0+0x000=DAD0。

當(dāng)輸入模擬量VREF0，u1的電壓范圍0

為了進(jìn)一步提高AD轉(zhuǎn)換的分辨率，可以在兩通道的基礎(chǔ)之上繼續(xù)增加轉(zhuǎn)換通道，當(dāng)輸入電壓ui時(shí)，根據(jù)前面介紹的擴(kuò)展電路，那么要將輸入的模擬量ui分成3個(gè)部分，第一個(gè)部分0～VREF，第二個(gè)部分VREF～2VREF，第三個(gè)部分2VREF～3VREF，然后分別送給單片機(jī)的3個(gè)AD0，AD1，AD2通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為三通道的數(shù)字量之和D=DAD0+DAD1+DAD2。具體的電路如圖3所示，根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，可以用上述方法繼續(xù)擴(kuò)展可提高AD轉(zhuǎn)換的位數(shù)。

3 軟件程序

為了保證各通道AD轉(zhuǎn)換工作有序的進(jìn)行，必須要對(duì)整個(gè)工作過程進(jìn)行程序控制，程序主要依次啟動(dòng)各AD轉(zhuǎn)換通道，分別得到數(shù)字量DAD0，DAD1，...DADn，最后將得到的數(shù)字量求和，程序流程如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用ATmega8自帶的10位AD轉(zhuǎn)換器，通過外圍電路的搭建來(lái)增加AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的位數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更高AD轉(zhuǎn)換分辨率的擴(kuò)展。由運(yùn)放、電阻組成一個(gè)放大倍數(shù)為1的減法器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸入電壓ui的分段，兩個(gè)二極管構(gòu)成的鉗位保護(hù)電路保證了單片機(jī)輸入電壓在﹣0.7 V～VREF+0.7 V，電阻要求選擇同一批次精度為1%的10 kΩ。在室溫下，對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行測(cè)試，利用兩個(gè)AD通道時(shí)，分辨率可達(dá)11位，轉(zhuǎn)換時(shí)間60 μs，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表1所示。該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，具有良好的市場(chǎng)前景，目前已經(jīng)投入實(shí)際生產(chǎn)中。

[參考文獻(xiàn)]

[1]馬艷玲，趙戰(zhàn)民，李明亮.高精度兩次采樣AD轉(zhuǎn)換[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（14）：311-312.

[2]張英平，張朝陽(yáng).基于單片機(jī)的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（31）：54-57.

Abstract：In this paper， the 10-bit AD converter with ATmega8 and peripheral circuit is used to enlarge AD conversion resolution. The results show that the converter circuit is stable， reliable， inexpensive， with 11-bit resolution， and can be further expanded. It has good market prospects.

Key words：AD conversion； resolution； ATmega8