談?wù)勅绾翁岣邌纹瑱C(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度
引 言
單片機(jī)應(yīng)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(jī)內(nèi)作進(jìn)一步運(yùn)算和處理,完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)輸出,達(dá)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(jī)都有內(nèi)置A/D模塊,因此,單片機(jī)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)轉(zhuǎn)換的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn),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(diǎn)
(1)單片機(jī)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換
單片機(jī)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換是利用單片機(jī)的內(nèi)置A/D模塊,通過選擇不同的模擬量通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換??梢詫⒛M量直接輸入到單片機(jī)對應(yīng)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(jī)的內(nèi)置A/D模塊只有8位和10位,無法進(jìn)行高精度的A/D轉(zhuǎn)換,原理如圖1所示。
(2)單片機(jī)片外A/D轉(zhuǎn)換
單片機(jī)外置A/D轉(zhuǎn)換是單片機(jī)通過一定的邏輯電路控制外置A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,外圍電路相對復(fù)雜。單片機(jī)將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一定的時序讀取到單片機(jī)中,按要求通過選擇A/D轉(zhuǎn)換電路,可以實(shí)現(xiàn)高精度的A/D轉(zhuǎn)換(可以達(dá)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(dāng)然可以達(dá)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(shè)需要采集0.0~400.0 V直流電壓,單片機(jī)A/D模塊的基準(zhǔn)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(dá)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(dá)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(shí)即使分辨率達(dá)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(dá)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(dá)到0.02 V即可,但用戶更關(guān)心8~13 V的電壓,8~13 V內(nèi)精度要達(dá)到0.01 V。為了解決這個問題,設(shè)計(jì)了原理如圖4所示的電路。
單片機(jī)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(jī)的AN1輸入口,即VAN1=Ui/4。
U2A接成減法運(yùn)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(dāng)輸入電壓大于8 V時,單片機(jī)AN2可以得到O~5 V電壓。單片機(jī)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(yīng)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(jī)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(yīng)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(jī)在工業(yè)自動控制的應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中具有一定的使用價(jià)值,特別是通過簡單的模擬運(yùn)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(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。
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