單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低成本A/D轉(zhuǎn)換

在前面的文章中分別介紹了兩種用普通單片機(jī)實(shí)現(xiàn)低成本A/D轉(zhuǎn)換的方法，這兩種方法中在單片機(jī)的外部都要使用到一個(gè)比較器，在本文中繼續(xù)向大家介紹低成本的A/D轉(zhuǎn)換的一種方法，只是這種方法成本會(huì)更低，而且外部無(wú)需使用比較器。此種方法的A/D轉(zhuǎn)換精度不高，只有6～7bit，并且被測(cè)電壓范圍較為有限，但在某些精度要求不高，且被測(cè)電壓值變化不大的場(chǎng)合也很有實(shí)用價(jià)值，比如溫度測(cè)量方面。

其電路如圖一所示：

其工作原理說(shuō)明如下：

1、硬件說(shuō)明：

圖一中的R1、R2和C1構(gòu)成RC充電電路，被測(cè)量通過(guò)R1、R2對(duì)C1充電。N1為單片機(jī)，本電路中采用MICROCHIP的PIC12C508A來(lái)舉例說(shuō)明。C2為給電源供電用的濾波電路，VD1為保護(hù)用穩(wěn)壓二極管，以避免輸入電壓過(guò)高而損壞單片機(jī)。

2、A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程：

首先GP5輸出低電平，使電容C1上的電量完全放光，隨后GP5即轉(zhuǎn)變?yōu)檩斎霠顟B(tài)，此時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，被測(cè)電壓經(jīng)過(guò)R1、R2電阻對(duì)電容C1進(jìn)行充電，電容C1上的電壓會(huì)逐漸升高，C1上的電壓U滿足以下公式：

其中U為電容C1上的電壓，E為輸入電壓(被測(cè)量)，T=(R1+R2)*C1，t為時(shí)間。

當(dāng)C1上的電壓U達(dá)到單片機(jī)I/O腳的門嵌電壓時(shí)，單片機(jī)的GP5由低電平狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)。記錄從充電開始至此時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間t。

從上式可知，當(dāng)單片機(jī)I/O腳的門嵌電壓、R1、R2、C1值都固定不變時(shí)，被測(cè)量的電壓值E與時(shí)間t呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

因此測(cè)量輸入電壓對(duì)C1電容充電到門嵌電壓的時(shí)間，進(jìn)行查表計(jì)算，就可以得到被測(cè)電壓值，從而實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。

3、A/D轉(zhuǎn)換誤差分析及解決辦法：

A/D轉(zhuǎn)換的誤差主要由以下幾個(gè)方面決定，分別說(shuō)明如下：

(1)單片機(jī)的電源電壓VDD：在該A/D轉(zhuǎn)換中，VDD電壓變化較大時(shí)有可能造成I/O口的門嵌電壓發(fā)生變化，不過(guò)其影響較小。

(2)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器對(duì)C1電容上電壓上升時(shí)間的測(cè)量偏差：該測(cè)量偏差是A/D轉(zhuǎn)換誤差的主要因素。

(3)電阻、電容不穩(wěn)定導(dǎo)致的誤差：當(dāng)電阻R1、R2或電容C1的值發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)使C1電容的電壓上升至門嵌電壓時(shí)間發(fā)生變化，這也將影響A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

(4)單片機(jī)I/O腳的輸入阻抗：如果單片機(jī)的I/O腳輸入阻抗較低，相當(dāng)于使RC值發(fā)生變化，也會(huì)影響A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

(5)單片機(jī)的門嵌電壓：對(duì)于不同的單片機(jī)，其門嵌電壓可能略有相同，這也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

A/D轉(zhuǎn)換誤差的解決辦法：

(1)對(duì)VDD造成的誤差，只能通過(guò)提高VDD電壓精度來(lái)解決，VDD的電壓最好能穩(wěn)定在2%范圍內(nèi)，普通的7805就有2%的穩(wěn)壓精度。

(2)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生的誤差，可以增加RC值，從而使C1電容上電壓上升時(shí)間延長(zhǎng)，計(jì)數(shù)器測(cè)得的值較大，誤差會(huì)較小。不過(guò)R值若太大，受I/O口輸入阻抗影響也會(huì)較大。

(3)R1、C1選用精度較高較穩(wěn)定的電阻、電容，或增加一個(gè)微調(diào)電阻器來(lái)解決。

(4)若單片機(jī)I/O腳輸入阻抗較低，可以減小R1、R2電阻，增加C1電容來(lái)解決。

4、A/D轉(zhuǎn)換速度及提高辦法：

由于該A/D轉(zhuǎn)換是通過(guò)被測(cè)值經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻對(duì)電容充電使電壓到達(dá)門嵌電壓后測(cè)量充電時(shí)間來(lái)得到A/D轉(zhuǎn)換值的，因此其A/D轉(zhuǎn)換速度會(huì)比較慢，它適用于對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高的產(chǎn)品中，其A/D轉(zhuǎn)換速度取決于以下幾個(gè)方面：

(1)RC值：當(dāng)RC值太大時(shí)，測(cè)量速度會(huì)較慢，減小RC值可以提高A/D轉(zhuǎn)換速度，但由于計(jì)數(shù)時(shí)間較短，測(cè)量誤差會(huì)增大。

(2)被測(cè)電壓值的大?。河捎贑1上的電壓U是由小到大逐漸加大的，當(dāng)被測(cè)電壓值較小時(shí)，U電壓上升到門嵌值的時(shí)間就越長(zhǎng)，完成A/D轉(zhuǎn)換的速度就越慢。反之被測(cè)電壓越高，測(cè)量速度越快。

由上所述，A/D轉(zhuǎn)換的速度可以通過(guò)減小RC值來(lái)提高。若單片機(jī)帶有外部電平變換中斷，其A/D轉(zhuǎn)換的精度還可以得到提高。

5、輸入電壓的測(cè)量范圍：

A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓測(cè)量范圍為單片機(jī)門嵌電壓至單片機(jī)的電源電壓(VDD)，若需要提高被測(cè)電壓范圍，可將輸入電壓通過(guò)電阻分壓后進(jìn)行測(cè)量，但其A/D轉(zhuǎn)換的誤差會(huì)受分壓電阻影響。

6、單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用實(shí)例：

下圖為采用PIC12C508實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的應(yīng)用實(shí)例，圖中用4個(gè)發(fā)光二極管來(lái)作相應(yīng)的電壓值范圍指示。其電壓測(cè)量范圍為1.4V至2.55V，其測(cè)量精度為10mV。

該應(yīng)用實(shí)例與原程序可參考MICROCHIP公司的單片機(jī)應(yīng)用筆記，該文件可從MICROCHIP網(wǎng)站上下載。

擴(kuò)展閱讀：單片機(jī)入門經(jīng)驗(yàn)談