原创 用普通单片机实现低成本高精度A/D转换(zz)

用普通单片机实现低成本高精度A/D转换（之一）

目前单片机在电子产品中已得到广泛应用，许多类型的单片机内部已带有A/D转换电路，但此类单片机会比无A/D转换功能的单片机在价格上高几元甚至很多，本文给大家提供一种实用的用普通单片机实现的A/D转换电路，它只需要使用普通单片机的2个I/O脚与1个运算放大器即可实现，而且它可以很容易地扩展成带有4通道A/D转换功能，由于它占用资源很少，成本很低，其A/D转换精度可达到8位或更高，因此很具有实用价值。
其电路如图一所示：

在此前笔者曾介绍了普通单片机实现低成本A/D转换的一种方法，在实际使用中还有其它的不少方法可以实现低成本A/D转换，在本文中我们继续为电子设计者们提供又一种A/D转换方法，该方法同样占用较少的单片机资源，成本也很低，仍然有很强的实用性，该电路曾在锂离子电池充电器中作A/D转换使用，效果良好。
其电路如图一所示：

图一

其工作原理说明如下：

1、硬件电路说明：

        图一中的R1和N1（TL431）产生一个2.495V的稳定电压，作为A/D转换比较基准。R2、V1、VD1、VD2和R3构成一个恒流源电路给C1充电，C1上的电压与恒流源的电流大小及充电时间成正比。

        MC74HC4051为8选1模拟开关，其输入通道由单片机控制来选择。LM393作为比较器，当C1上的电压由低到高上升到超过模拟开关输出电压时，其输出端会从低电平转变为高电平。“RA0”、“RA1”和“RA2”为单片机的3个 I/O脚，RA0设置为输入状态，用于检测比较器输出电平变化，RA1和RA2设置为输出状态，RA1输出高电平时，V2导通，用于将C1上的电荷放空， RA2用于选择模拟开关的输入通道。

2、A/D转换过程：

        首先RA2输出低电平，使模拟开关选择X0（基准电压）作为输入，RA1输出高电平，使V2导通将C1上的电量放完，然后使RA1输出低电平，使 V2截止，此时C1上的电容开始被充电，同时计数器开始计数，当C1上的电压不断上升，并达到比较器输入负端的电压（此时为基准电压Vref）时，比较器的输出端由低电平转为高电平，此时记录下计数器的计数值，为T1。

        接着RA2输出高电平，使模拟开关选择X1（被测电压）作为输入，RA1输出高电平，使V2导通将C1上的电量放完，然后使RA1输出低电平，使V2截止，此时C1上的电容又开始被充电，同时计数器开始计数，当C1上的电压不断上升，并达到比较器输入负端的电压（此时为基准电压）时，比较器的输出端由低电平转为高电平，此时记录下计数器的计数值，为T2。

        由于C1是被恒流充电，因此C1上的电压与充电时间成正比，即V="T"*k。当C1的容值与充电的恒流值不变时，k是一个固定不变的常数。由此可以得到：

                Vref/T1=V1/T2 ，即 V1=Vref*T2/T1

        由于Vref是基准电压（2.495V），因此只要利用单片机的定时器测出T1和T2，就可以计算出被测电压V1的值。

3、A/D转换误差分析及解决办法：

A/D转换的误差主要由以下几个方面决定，分别说明如下：

1、基准电压Vref：在该A/D转换中，Vref电压是造成A/D转换误差的主要原因，如果使Vref电压精度做到较高，则A/D转换误差可以做到很小，在Vref电压精度为0.5%情况下，实际的A/D转换误差小于1%。

2、定时器误差：若单片机对比较器输出端的电位变化反应慢，或定时器误差较大，则测量到的T1与T2值不准，也会导致测量误差。

3、比较器输入端的失调电压：该电压对A/D转换精度有一定影响，但影响较小。

4、运算误差：由于V1值要经过乘除法运算后得到，在进行运算过程中如果数据处理不当，如余数处理不当，也会产生误差。

5、干扰误差：当输入电压不稳时，恒流源的输出电流会有一定的影响，会产生干扰误差。

A/D转换误差的解决办法：

1、对Vref造成的误差，只能通过提高Vref电压精度来解决，它相当于A/D转换的基准电压。

2、对于定时器误差，在单片机中可使RA0口采用带电平变化中断功能的I/O口，以提高反应速度，同时减少恒流源的电流大小，或加大C1电容容量，可以增加T1、T2的测量时间，使计数值加大，达到提高A/D转换精度的目的。

3、选用灵敏度高的比较器可解决比较器输入端导致的误差问题。

4、对运算误差，可以通过软件上的改进来解决。

5、对于干扰造成的误差，可对A/D转换值进行数字滤波，如多次转换求平均值等方法来解决。数字滤波消除误差的方法很多，在此不再赘述。

4、A/D转换速度及提高办法：

        由于该A/D转换是通过恒流源对C1电容充电后再进行比较来完成的，C1电容的充电过程需要一定的时间，因此其A/D转换速度较慢，适用于对A/D转换速度要求不高的产品中，其A/D转换速度取决于以下几个方面：

1、恒流源的电流大小：恒流源的充电电流越大，C1上的电压上升速度就越快，到达被比较电压的时间也就更短，转换速度就更快。

2、C1电容的大小：其道理与前一点一样，当电容小时，电压上升速度就越快，到达被比较电压的时间也会越短，转换速度就越快。但由于计数值小，由定时器造成的测量误差也有可能加大。

3、单片机的工作频率：由于A/D转换值是经过乘除运算后完成的，因此单片机的运算速度也会对A/D转换速度有影响，尤其当计数器值为16位时。

        由上所述，A/D转换的速度可以通过提高单片机的工作频率，增大恒流源的输出电流，减小C1电容容值来加快A/D转换速度，但要注意当T1、T2 计数值太小时有可能使定时器因素造成的误差增大，因此在实际使用中要综合考虑，在提高转换速度时，保证A/D转换精度，选择最适用于产品的参数值。

5、输入电压的测量范围：

        A/D转换的输入电压测量范围为0V至4.5V，当C1被充电至大于4.5V时，恒流源输出将不再恒流，C1上的电压与时间将不成正比，因此测量范围只到4.5V。若要提高被测电压范围，可将输入电压通过电阻分压后进行测量，但其A/D转换的误差会受分压电阻影响。

6、A/D转换通道的多路扩展：

        图中的8选一模拟开关只用到其中的2路，实际应用中其它的6路也可使用，这样A/D转换的通道可扩展到7路，因此在用4个I/O口情况下，可实现3路A/D转换，在用5个I/O口情况下，可实现7路A/D转换。

 

用普通单片机实现低成本A/D转换（三）

在前面的文章中分别介绍了两种用普通单片机实现低成本A/D转换的方法，这两种方法中在单片机的外部都要使用到一个比较器，在本文中继续向大家介绍低成本的A/D转换的一种方法，只是这种方法成本会更低，而且外部无需使用比较器。此种方法的A/D转换精度不高，只有6～7bit，并且被测电压范围较为有限，但在某些精度要求不高，且被测电压值变化不大的场合也很有实用价值，比如温度测量方面。
其电路如图一所示：

其工作原理说明如下：

1、硬件说明：

        图一中的R1、R2和C1构成RC充电电路，被测量通过R1、R2对C1充电。N1为单片机，本电路中采用MICROCHIP的PIC12C508A来举例说明。C2为给电源供电用的滤波电路，VD1为保护用稳压二极管，以避免输入电压过高而损坏单片机。

2、A/D转换过程：

        首先GP5输出低电平，使电容C1上的电量完全放光，随后GP5即转变为输入状态，此时单片机开始计时，被测电压经过R1、R2电阻对电容C1进行充电，电容C1上的电压会逐渐升高，C1上的电压U满足以下公式：
 
        其中U为电容C1上的电压，E为输入电压（被测量），T=（R1+R2）*C1，t为时间。 

        当C1上的电压U达到单片机I/O脚的门嵌电压时，单片机的GP5由低电平状态转变为高电平状态。记录从充电开始至此时所经过的时间t。

        从上式可知，当单片机I/O脚的门嵌电压、R1、R2、C1值都固定不变时，被测量的电压值E与时间t呈一一对应关系。

        因此测量输入电压对C1电容充电到门嵌电压的时间，进行查表计算，就可以得到被测电压值，从而实现了A/D转换。

3、A/D转换误差分析及解决办法：

A/D转换的误差主要由以下几个方面决定，分别说明如下：

（1）单片机的电源电压VDD：在该A/D转换中，VDD电压变化较大时有可能造成I/O口的门嵌电压发生变化，不过其影响较小。

（2）单片机内部的定时器对C1电容上电压上升时间的测量偏差：该测量偏差是A/D转换误差的主要因素。

（3）电阻、电容不稳定导致的误差：当电阻R1、R2或电容C1的值发生变化时，也会使C1电容的电压上升至门嵌电压时间发生变化，这也将影响A/D转换结果。

（4）单片机I/O脚的输入阻抗：如果单片机的I/O脚输入阻抗较低，相当于使RC值发生变化，也会影响A/D转换结果。

（5）单片机的门嵌电压：对于不同的单片机，其门嵌电压可能略有相同，这也会导致测量误差。

A/D转换误差的解决办法：

（1）对VDD造成的误差，只能通过提高VDD电压精度来解决，VDD的电压最好能稳定在2%范围内，普通的7805就有2%的稳压精度。

（2）对单片机内部的定时器产生的误差，可以增加RC值，从而使C1电容上电压上升时间延长，计数器测得的值较大，误差会较小。不过R值若太大，受I/O口输入阻抗影响也会较大。

（3）R1、C1选用精度较高较稳定的电阻、电容，或增加一个微调电阻器来解决。

（4）若单片机I/O脚输入阻抗较低，可以减小R1、R2电阻，增加C1电容来解决。

4、A/D转换速度及提高办法：

        由于该A/D转换是通过被测值经过一个电阻对电容充电使电压到达门嵌电压后测量充电时间来得到A/D转换值的，因此其A/D转换速度会比较慢，它适用于对A/D转换速度要求不高的产品中，其A/D转换速度取决于以下几个方面：

（1）RC值：当RC值太大时，测量速度会较慢，减小RC值可以提高A/D转换速度，但由于计数时间较短，测量误差会增大。

（2）被测电压值的大小：由于C1上的电压U是由小到大逐渐加大的，当被测电压值较小时，U电压上升到门嵌值的时间就越长，完成A/D转换的速度就越慢。反之被测电压越高，测量速度越快。

        由上所述，A/D转换的速度可以通过减小RC值来提高。若单片机带有外部电平变换中断，其A/D转换的精度还可以得到提高。

5、输入电压的测量范围：

        A/D转换的输入电压测量范围为单片机门嵌电压至单片机的电源电压（VDD），若需要提高被测电压范围，可将输入电压通过电阻分压后进行测量，但其A/D转换的误差会受分压电阻影响。

6、单片机的A/D转换应用实例：

        下图为采用PIC12C508实现A/D转换的应用实例，图中用4个发光二极管来作相应的电压值范围指示。其电压测量范围为1.4V至2.55V，其测量精度为10mV。

        该应用实例与原程序可参考MICROCHIP公司的单片机应用笔记，该文件可从MICROCHIP网站上下载。