基于AVR單片機的AD轉換擴展電路設計

李金奎 張靜秋

摘 要：文章設計了一種利用ATmega8自帶的10位AD轉換器，搭建外圍電路實現更高AD轉換分辨率的擴展，結果表明，該轉換電路穩定可靠，價格低廉，具有11位分辨率，可進一步擴展，具有良好的市場前景。

關鍵詞：AD轉換；分辨率；ATmega8

AD轉換器是一種將模擬量轉換為數字量的器件，在測量領域、現代智能化儀器儀表中占有十分重要的地位，而工程應用中為了提高測量精度，就需要選擇更多位數的AD轉換器，而位數越高，AD轉換器成本越高，難以得到推廣和普及[1]。本文設計一種利用ATmega8自帶的10位AD轉換器，實現更高AD轉換分辨率的擴展，目前已經投入實際生產中[2]。

1 AD擴展原理

擴展原理如圖1所示，ATmega8單片機自帶一個10位的AD轉換器，圖中每一格所代表的AD的分辨率，即1/1 024。為了提高分辨率，利用ATmega8單片機的兩個AD通道，各自進行一次AD轉換，在轉換中，每一個AD通道，轉換的參考電壓為VREF，而總轉換的參考電壓為V?REF=2VREF。輸入模擬量ui≤2VREF，AD0通道，轉換的模擬量在0～VREF；AD1通道，轉換的模擬量在VREF～2VREF，AD轉換的總數字量就是兩個通道數字量之和，這樣就可以將AD轉換分辨率提高到1/2 048，擴展成11位的AD轉換。

2 AD擴展電路設計

根據擴展原理，首先要將輸入的模擬量ui分成兩個部分，第一個部分0～VREF，第二個部分VREF～2VREF，然后分別送給單片機的兩個AD通道進行轉換。電路如圖2所示，擴展電路主要由運放、電阻組成一個放大倍數為1的減法器和二極管構成一個鉗位保護電路。AD0通道的輸入電壓為ui；AD1通道轉換的輸入電壓為運放的輸出電壓u1，在減法器中，要求電阻R1=R2=R3=R4，選擇同一批次精度為1%的10 kΩ電阻，放大倍數為1的減法器，根據減法器的原理，可得：

當輸入的模擬量ui≤VREF時，減法器的輸出電壓u1為：u1=ui-VREF≤0，﹣VREF≤u1≤0，由于有二極管鉗位電路，故通道AD1輸入電壓uAD1被鉗位在﹣0.7 V≤u1≤0，保護AD1轉換輸入口，所以AD1通道轉換的數字量DAD1=0x000。通道AD0的輸入電壓為：uAD0=ui≤VREF，AD0通道鉗位電路不起作用，故AD0轉換的數字量為DAD0，即輸入電壓數字量D=DAD0+DAD1=DAD0+0x000=DAD0。

當輸入模擬量VREF0，u1的電壓范圍0

為了進一步提高AD轉換的分辨率，可以在兩通道的基礎之上繼續增加轉換通道，當輸入電壓ui時，根據前面介紹的擴展電路，那么要將輸入的模擬量ui分成3個部分，第一個部分0～VREF，第二個部分VREF～2VREF，第三個部分2VREF～3VREF，然后分別送給單片機的3個AD0，AD1，AD2通道進行轉換。轉換后的數字量為三通道的數字量之和D=DAD0+DAD1+DAD2。具體的電路如圖3所示，根據產品的設計需求，可以用上述方法繼續擴展可提高AD轉換的位數。

3 軟件程序

為了保證各通道AD轉換工作有序的進行，必須要對整個工作過程進行程序控制，程序主要依次啟動各AD轉換通道，分別得到數字量DAD0，DAD1，...DADn，最后將得到的數字量求和，程序流程如圖4所示。

4 結語

本文利用ATmega8自帶的10位AD轉換器，通過外圍電路的搭建來增加AD轉換轉換的位數，從而實現更高AD轉換分辨率的擴展。由運放、電阻組成一個放大倍數為1的減法器，實現了對輸入電壓ui的分段，兩個二極管構成的鉗位保護電路保證了單片機輸入電壓在﹣0.7 V～VREF+0.7 V，電阻要求選擇同一批次精度為1%的10 kΩ。在室溫下，對設計電路進行測試，利用兩個AD通道時，分辨率可達11位，轉換時間60 μs，系統穩定可靠，實驗測試數據表1所示。該電路設計簡單，具有一定的創新性和實際應用價值，具有良好的市場前景，目前已經投入實際生產中。

[參考文獻]

[1]馬艷玲，趙戰民，李明亮.高精度兩次采樣AD轉換[J].微計算機信息，2008（14）：311-312.

[2]張英平，張朝陽.基于單片機的逐次比較型AD轉換電路設計[J].阜陽師范學院學報（自然科學版），2014（31）：54-57.

Abstract：In this paper， the 10-bit AD converter with ATmega8 and peripheral circuit is used to enlarge AD conversion resolution. The results show that the converter circuit is stable， reliable， inexpensive， with 11-bit resolution， and can be further expanded. It has good market prospects.

Key words：AD conversion； resolution； ATmega8