单片机A/D转换工作原理及优缺点分析方案
单片机应用于工业控制等方面时，经常要将电流、电压、温度、位移、转速等模拟量转换成数字量，然后在单片机内作进一步运算和处理，完成相应的数据存储、数据传输和数据输出，达到分析和控制的目的。
随着大规模集成电路的不断发展，很多单片机都有内置a/d模块，因此，单片机的a/d转换可以用内置a/d模块也可以用外置a/d电路完成，现谈谈单片机a/d转换的工作原理及优缺点，并分析提高a/d转换精度的方法。
1 a/d转换的工作原理及优缺点
（1）单片机片内a/d转换单片机片内a/d转换是利用单片机的内置a/d模块，通过选择不同的模拟量通道进行a/d转换。可以将模拟量直接输入到单片机对应的输入脚，外围电路简单。转换后的数据直接保存在片内寄存器中，数据提取方便。但大多数单片机的内置a/d模块只有8位和10位，无法进行高精度的 a/d转换，原理如图1所示。
（2）单片机片外a/d转换单片机外置a/d转换是单片机通过一定的逻辑电路控制外置a/d转换电路进行a/d转换，外围电路相对复杂。单片机将转换结果通过一定的时序读取到单片机中，按要求通过选择a/d转换电路，可以实现高精度的a/d转换（可以达到14位、16位、22位甚至更高），原理如图2所示。
2 提高a/d转换精度的方法要提高a/d转换的精度，选用高精度的外部a/d转换器当然可以达到要求，除此之外，有没有其他方法呢？答案是肯定的。以下介绍几种利用片内a/d转换模块提高转换精度的方法。
①以采集电压为例，假设需要采集0.0～400.0 v直流电压，单片机a/d模块的基准电压vref+取5.0 v，vref-取0 v，需要采集的电压经过衰减，变成0.0～5.0 v，连接电路如图3所示。显然，如果要达0.1 v的精度，则a/d转换的分辨率必须小于1/4000，而片内a/d模块一般为10位，分辨率仅为1/1 024，达不到要求。由于模拟量（o～400v电压）输入大多不是稳定值，会有波动，为了得到更高精度的数据，可以将多次采集的数据累加后再取平均值（其实即使分辨率达到要求的a/d转换也要经过累加再取平均值，以得到更稳定的数据）。如果每间隔一定时间采集的10位数据为di，取64个这样的数据累加后再除以16，就可以得到12位的数据d，即
这时d的分辨率是1/212=1/4 096。这样，就得到了更高精度的数据。
但是，如果模拟量（0～400v电压）输入值非常稳定，每间隔一定时间采集的10位数据di都相同，以上方法就达不到要求了。
②如果在a/d转换过程中要得到局部更高精度的数据，例如检测蓄电池充放电过程中的电压，电压范围是0～18 v，一般精度达到0.02 v即可，但用户更关心8～13 v的电压，8～13 v内精度要达到0.01 v。为了解决这个问题，设计了原理如图4所示的电路。
单片机有内置10位a/d模块，ui（0～20 v）电压经过r1、r2、p1衰减得到0～5 v的电压，该电压直接送到单片机的an1输入口，即van1=ui/4。u2a接成减法运算电路，即u2a 1端电压vu2a1=van1-2 v=ui/4-2 v=（ui-8 v）/4。u2b接成4倍放大电路，u2b 7端的电压vu2b7=vu2a×4=ui-8 v。an2输入并联一只5 v稳压二极管，以保证当输入电压大于8 v时，单片机an2可以得到o～5 v电压。
单片机先采集an1的数据，通过采集的数据判断输入电压是否在8～13 v之间，如果不在8～13 v，则采集到的数据就是模拟量（u）对应的数字量（d：000h～3ffh），精度为20 v/2010=20 v/1 024≈0.02 v，电压数据u=d×0.02 v;如果采集的数据在8～13 v之间，单片机再采集an2的数据，采集到的数据加上8 v就是模拟量（u）对应的数字量（d：000h～3ffh），精度为（13-8）v/210=5 v/1 024≈0.005 v，电压数据u=8 v+d×0.005 v。这样，在8～13 v之间的a/d转换精度就大大提高了。
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1 a/d转换的工作原理及优缺点
（1）单片机片内a/d转换单片机片内a/d转换是利用单片机的内置a/d模块，通过选择不同的模拟量通道进行a/d转换。可以将模拟量直接输入到单片机对应的输入脚，外围电路简单。转换后的数据直接保存在片内寄存器中，数据提取方便。但大多数单片机的内置a/d模块只有8位和10位，无法进行高精度的 a/d转换，原理如图1所示。
（2）单片机片外a/d转换单片机外置a/d转换是单片机通过一定的逻辑电路控制外置a/d转换电路进行a/d转换，外围电路相对复杂。单片机将转换结果通过一定的时序读取到单片机中，按要求通过选择a/d转换电路，可以实现高精度的a/d转换（可以达到14位、16位、22位甚至更高），原理如图2所示。
2 提高a/d转换精度的方法要提高a/d转换的精度，选用高精度的外部a/d转换器当然可以达到要求，除此之外，有没有其他方法呢？答案是肯定的。以下介绍几种利用片内a/d转换模块提高转换精度的方法。
①以采集电压为例，假设需要采集0.0～400.0 v直流电压，单片机a/d模块的基准电压vref+取5.0 v，vref-取0 v，需要采集的电压经过衰减，变成0.0～5.0 v，连接电路如图3所示。显然，如果要达0.1 v的精度，则a/d转换的分辨率必须小于1/4000，而片内a/d模块一般为10位，分辨率仅为1/1 024，达不到要求。由于模拟量（o～400v电压）输入大多不是稳定值，会有波动，为了得到更高精度的数据，可以将多次采集的数据累加后再取平均值（其实即使分辨率达到要求的a/d转换也要经过累加再取平均值，以得到更稳定的数据）。如果每间隔一定时间采集的10位数据为di，取64个这样的数据累加后再除以16，就可以得到12位的数据d，即
这时d的分辨率是1/212=1/4 096。这样，就得到了更高精度的数据。
但是，如果模拟量（0～400v电压）输入值非常稳定，每间隔一定时间采集的10位数据di都相同，以上方法就达不到要求了。
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单片机有内置10位a/d模块，ui（0～20 v）电压经过r1、r2、p1衰减得到0～5 v的电压，该电压直接送到单片机的an1输入口，即van1=ui/4。u2a接成减法运算电路，即u2a 1端电压vu2a1=van1-2 v=ui/4-2 v=（ui-8 v）/4。u2b接成4倍放大电路，u2b 7端的电压vu2b7=vu2a×4=ui-8 v。an2输入并联一只5 v稳压二极管，以保证当输入电压大于8 v时，单片机an2可以得到o～5 v电压。
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