基于单片机的高精度AD转换器

2011-03-17李玉俊

电子设计工程 2011年17期

李玉俊，黄琪

（中国矿业大学江苏徐州 221116）

对于很多的电子爱好者来说，经常使用的A/D转换器是8位和12位的，尤其对于参加全国电子设计大赛的学生来说，基本上使用的都是ADC0808或ADC0809。对于一般的电子设计，8位的A/D转换器已经足够，但在某些场合就需要使用更高精度的A/D转换器，由于A/D转换器随着其转换精度的提高价格会成倍上升，所以在某些要求转换精度高但对转换时间要求不高的场合，可以搭建一些较为简单的电路来提高A/D转换器的精度。笔者介绍两种提高A/D转换精度的方法。在某些特定的场合，8位A/D转换器的转换精度堪比12位的A/D转换器[1]。

1 转换原理简介

目前使用较多的是8位逐次比较型A/D转换器，其相应的工作原理[2]可以使用如图1所示。

图1 逐次比较性AD转换器结构原理图Fig．1 Structure principle diagram of AD converter

当启动信号作用后，时钟信号先通过逻辑控制电路使N位寄存器的最高位DN-1为1，以下各位为0，此二进制代码经D/A转换器转换成电压U0送到比较器与输入的模拟电压Ux比较。若 Ux＞U0，则保留这一位；若 Ux＜U0，则 DN-1位置 0。DN-1位比较完毕后，再对DN-2位进行比较，控制电路使寄存器DN-2为1，其以下各位仍为0，然后再与上一次DN-1结果一起经过D/A转换后再次送到比较器与Ux相比较。如此一位一位地比较下去，直至最后一位D0比较完毕为止。最后，发出EOC信号表示转换结束。进而使用单片机控制下一次的A/D转换。经N次比较后，N位寄存器保留的状态就是转换后的数字量数据。（注：EOC：转换结束标志位，“0”表示正在转换，“1”表示A/D转换的结束。OE：输出允许信号，当向OE端输入一个高电平时，这时便可读取结果。这些位都可由单片机连实现精确的控制。）

通常来说当选用的A/D转换器确定后，相应的分辨率也就确定了，相应的转换精度也同时确定了[3]。此时，提高A/D转换芯片的精度通常有两种方法，一种方法是将量程进行动态转换，即根据输入信号VIN的大小，将其放大，然后再进行A/D转换；另一种方法是实时控制参考电压VREF，即根据VIN的大小，实时改变A/D转换器的参考电压VREF。以上两种方法都可以达到提高AD转换精度的目标。

方法一：动态转换量程

图2 动态改变量程电路图Fig．2 Circuit diagram of changing the range dygnamically

假设ADC的分辨率为8位，电源电压V=5 V，那么在输入信号在 0～5 V 变化范围内，其分辨率=5 V/（28-1）=19．6mV，也就是说A/D的分辨率为19．6 mV。但是当输入信号在0～2．5 V 时，此时将信号放大一倍，即 9．80mV 放大到 19．6 mV，其分辨率提高了1倍。

在量程扩大后，对其进行电压补偿，保持量程不变，可以提高A/D转换的位数。例如，在输入电压为0～1．25 V之间时，此时不引入补偿电压；当信号在1．25～2．5 V之间变化时，这时引入 1．25 V 的补偿电压，使用差分放大器将在 1．25～2．5 V之间的电压编程在0～1．25 V之间的电压，并将其放大4倍，再进行A/D转换。这样就能使8位A/D转换器变为10位A/D转换器。本方法是用4个电阻进行分压，故可以将位数提高两位，若使用8个电阻进行分压可以将位数提高3位。使用的分压电阻越多，理论上提高的精度越高，但是同样电路就会更加复杂，程序同样也会复杂，建议将AD转换芯片的精度2-3位即可。

方法二：实时改变参考电压VREF

假设ADC的分辨率为8位，参考电压为5 V，输入信号的变化范围为 0～5V，此时 ADC 的分辨率=5V/（28-1）=19．6mV。当输入电压在0～2．5 V之间时，通过使用软件的方法将参考电压改为 2．5 V，这样，分辨率就为=5 V/（28-1）=9．80 mV，从而使分辨率提高1倍。笔者着重讨论方法一，方法二不做详细介绍。

图3 实时改变参考电压电路图Fig．3 Circuit diagram of changing the voltage in real-time

电压的选择标准如表1所示。

2 应用实例——数字电压表的设计

1）实现两次转换的电路连接：8个精密等值的电阻R2～R9，将0-5 V的电压分为 8档，则每档电压为0．625 V，从各档引出的线接8通道模拟开关74HC4051，模拟开关的控制端 CBA 分别接 P3．6，P3．5，P3．4 口。 LM324A 构成电压跟随器，LM324B构成差分放大器。

表1 电压选择参考Tab.1 Reference of voltage choice

图4 系统原理框图Fig．4 Block diagram of system principle

2）ADC0808的接口连接：START是A/D转换启动信号，为上升沿时，所有内部寄存器清0，为下降沿时，启动A/D转换。ALE为地址锁存允许信号输入端。START，ALE都接单片机的P3．0口。OE为输出允许控制端，接单片机的P3．1口。EOC为转换结束信号输出引脚。EOC=0时开始转换，EOC=1时转换结束，接单片机P3．2口。CLK为时钟信号输入端，要求时钟频率＜＜750 kHz，接单片机的 P3．3 口。 ADDA，ADDB，ADDC为地址线，用来进行通道的选择。ADDB，ADDC接地。选择如表2所示。

表2 通道选择Tab.2 Choose the passageway

3）现实模块的连接：单片机的 P1．0，P1．1，P1．2，P1．3 分别接共阴极数码管的位选端的 1，2，3，4。单片机的 P2．0～P2．7 接数码管的 A，B，C，D，E，F，G，DP 接口。

3 模型分析

11位A/D转换器的实现是通过2次8位A/D转换完成的[5]。这些模拟量是输入通道复用1个采样保持器进入A/D转换器。参考电压VREF可以来自外部也可以来自于内部VDD。A/D转换器采用逐次逼近式，转换结果（8位）存入寄存器。在A/D转换前必然选择适当的通道，设置足够的采样时间。可以通过设置A/D控制寄存器来控制A/D转换过程，同时A/D转换的状态也会在IN0中体现出来。先将待转换的电压Vi送到IN0通道做一次A/D转换。根据转换所得的数字量由软件算出Vi在哪档中。再将Vi减去Vi所在档的电压，将所得差值放大8倍，使之变为0～5 V的电压信号，将其在送入IN1通道在积分一次，所得的8位数字量就是11位A/D转换的低8位，而档位CBA就是高3位。下面举个例子进行说明：

假设输入的电压Vi是4 V，先通过IN0通道做一次A/D转换，所得的结果是204，即4/5×255=204，对应8位数字量位11001100[6]。将低5位屏蔽掉，即得11000000，循环右移5次的到00000110，这时低三位对应的就是Vi=4 V电压所对的档位，即第6档，CBA=110。通过程序将CBA从P3口输出，用来控制8选1模拟通道开关，是74HC4051输出3．75 V。该电压经LM324A跟随，再经LM324B放大。调整电阻，使放大倍数为 8 倍。则 LM324B 的输出电压为 Vo=8×（4-3．75）=2 V，选择IN1通道进行第二次A/D转换，所得的结果01100110，这就是11位A/D转换结果的低8位。档位110为11位A/D转换的高3位，合起来就是11位A/D转换的结果11001100110。