一種基于單片機管腳充放電技術的低成本A/D轉換方法的研究

摘 要:對于不同分辨率采樣模擬信號的要求，提出一種使用單片機管腳采樣模擬信號的技術，使之能適應不同分辨率要求的產品，從而代替價格昂貴的AD轉換芯片及單片機集成的A/D轉換器，文中給出了采用單片機管腳采樣模擬信號技術的一個實例，得到了較好的結果。

關鍵詞:分辨率 AD轉換 采樣

中圖分類號:TP文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0002-02

A/D轉換器的主要技術指標有轉換精度、轉換速度。單片機集成A/D轉換器的轉換精度是用分辨率和轉換誤差來描述的。A/D轉換器的分辨率決定能解析的精度，但A/D轉換器的分辨率與其成本成正比，擁有AD轉換功能的單片機芯片，除價格昂貴外且不能根據實際需要提高分辨率。針對于A/D轉換器的上述不足，本文提出一種使用單片機管腳充放電采樣模擬信號的技術，使之能適應不同分辨率要求的產品，從而代替價格昂貴的AD轉換芯片及單片機集成的A/D轉換器。

1 基本原理

1.1 充放電技術

在用普通I/O腳去測量電阻值時，需要對管腳的輸入輸出功能提出一定的要求，輸入管腳不能是施密特觸發型，輸入電平的高低判別是基于一門限電平。線路連接可以參考圖1所示。其中Rt1為待測的熱敏電阻，Rs為阻值已知的標準電阻，且具備良好的溫度特性(阻值基本不隨溫度變化而變化)，Rp為一用作限流保護的小電阻。

整個電路是基于RC充放回路的工作原理，把電阻值轉化成對電容充電的時間值，并通過單片機的計數功能得到該時間值。文獻[1][2]中對管腳充放電原理進行了分析。單片機用固定的時間間隔去采樣管腳上的電平變化情況，若得到低電平，也就是說在電容上的電壓還沒有充到門限電壓，就持續采樣過程，并對采樣次數作累計，一直到讀回的信號為“1”，然后，再把電容上的電壓放完，根據不同的計數值可以方便設定相應的分辨率，以滿足不同產品的需求。如圖2所示，是單片機一次采樣流程圖。如果RC的時間常數足夠大，可以認為充電曲線近似為線性的，如圖3所示，由此，可以得到

Rt1=(Tm/Ts)*Rs (1)

式中，Ts=參考電壓通過Rs對電容充電的時間

Tm=參考電壓通過Rt1對電容充電的時間。

電阻和電容值的選擇很大程度上取決于整個測量過程所要求的速度和測量分辨率(位數)。標準電阻Rs的值一般為最大測量電阻的一半，電容可以通過如下公式計算:

C= (2)

式中，T=完成額定位數的轉換所需的時間

Rm=最大可能的測量電阻

Vs=高低電平判別門限

Vr=參考電壓

實際選用的電容值應比計算機所得稍小，以確保在測量最大電阻阻值的計數不會溢出。在單片機的應用中，如果有Rm=200K，Vr=5V，Vs=3V，Rs=100K，8MHz振蕩頻率，每次采樣計數花6個指令周期，需要有8位的轉換結果，則:T=256計數*1/8MHz*4振蕩周期/指令周期*6指令周期/采樣=68uS，可得C=4200pF，實際可選用3900pF。

1.2 數據處理

通過上述方法的輸入實現對模擬信號的采樣，存在很多非線性因素，對實際信號的顯示帶來一定偏差，文獻[3][4]中對采樣所得信號的非線性因素已有詳細介紹，在對信號的線性化、濾波等處理上，本文采用以下兩種方法。

線性化是傳感器中比較常見的問題，通過對微單片機所采樣數據進行一定的數據處理可以消除其非線性因素，一般可以通過兩種途徑來實現——查表法與內部插補法，文獻[5][6]中對查表法已作詳細介紹。價格比較低廉的單片機其內部存儲空間相對比較小，所以對信號的線性化處理使用內部插補法，以適應有限的存儲資源。采用插補法實現采樣信號的線性化，將采樣所得到的曲線看成一系列的節點用直線連接在一起，因此只需要將每個節點的首尾數據存儲下來，大大節約了存儲空間，具體實現方法如下:

Kn= (3)

Y=Yn+(X-Xn)*Kn (4)

式中，X=采樣獲得的數據，n=節點位置，Xn、Yn=節點輸入、輸出值，Y=計算輸出的結果。

如果存儲空間允許，可以把每個節點的斜率比值預先存入單片機中，通過查表獲取以提高計算速度。

通過充放電技術得到的AD數據毫無疑問存在外界的干擾，需要通過濾波方法除去。在微單片機中比較容易實現的方法是滑動平均濾波法，具體為把連續取N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為N，每次采樣到一個新數據放入隊尾，并扔掉原來隊首的一次數據。把隊列中的N個數據進行算術平均運算，就可獲得新的濾波結果。該方法的優點是對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高。

2 采用本方案后取得的實效

圖4所示，是紹興光彩顯示技術有限公司于08年前7個月內，制作的飲水機控制板產品銷售量及成本分析圖，該公司第一個月制作飲水機控制板，使用的方法是帶AD轉換功能單片機芯片來采樣溫度，后面幾個月是采用本方案技術來采樣溫度，從圖中顯示看出，采用新的技術方案后，生產成本下降了很多，為公司獲得較大的利潤。

3 結語

本文提出的使用單片機管腳充放電技術采樣模擬信號替代AD轉換模塊，在理論與實際應用中是可行的，對于一些功能相對簡單的產品使用本技術更充分體現該方案的優越性。使用本技術能在保證質量前提下適應各種分辨率產品的要求。當然使用上述討論的技術也存在一定的缺陷，AD轉換的速度跟充放電電容大小有一定關系，電容設置越大會增加轉換時間。但對于一般家電產品，本文技術中所提到的轉換速度足夠使單片機完成一次完整的采樣。

參考文獻

[1]張明峰．PIC單片機入門與實戰[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2004.

[2]劉鐵兵，湯黎明，凌剛．高速模數轉換器AD9057的原理與應用．國外電子元器件，2006.

[3]吳小花，曹薇，陳吉芳．提高A/D轉換速度的方法．機電產品開發與創新，2004.

①作者簡介:徐利軍，男，1963年生，工程師，紹興市質量技術監督檢測院建材部項目負責人。