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用普通单片机实现低成本A/D转换（二）
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摘要：用普通单片机实现低成本的多路A/D转换
关键词：单片机 A/D转换 比较器 计时器
在此前笔者曾介绍了普通单片机实现低成本A/D转换的一种方法，在实际使用中还有其它的不少方法可以实现低成本A/D转换，在本文中我们继续为电子设计者们提供又一种A/D转换方法，该方法同样占用较少的单片机资源，成本也很低，仍然有很强的实用性，该电路曾在锂离子电池充电器中作A/D转换使用，效果良好。
其电路如图一所示：
图一
其工作原理说明如下：
1、硬件电路说明：
图一中的R1和N1（TL431）产生一个2.495V的稳定电压，作为A/D转换比较基准。R2、V1、VD1、VD2和R3构成一个恒流源电路给C1充电，C1上的电压与恒流源的电流大小及充电时间成正比。
MC74HC4051为8选1模拟开关，其输入通道由单片机控制来选择。LM393作为比较器，当C1上的电压由低到高上升到超过模拟开关输出电压时，其输出端会从低电平转变为高电平。“RA0”、“RA1”和“RA2”为单片机的3个 I/O脚，RA0设置为输入状态，用于检测比较器输出电平变化，RA1和RA2设置为输出状态，RA1输出高电平时，V2导通，用于将C1上的电荷放空， RA2用于选择模拟开关的输入通道。
2、A/D转换过程：
首先RA2输出低电平，使模拟开关选择X0（基准电压）作为输入，RA1输出高电平，使V2导通将C1上的电量放完，然后使RA1输出低电平，使 V2截止，此时C1上的电容开始被充电，同时计数器开始计数，当C1上的电压不断上升，并达到比较器输入负端的电压（此时为基准电压Vref）时，比较器的输出端由低电平转为高电平，此时记录下计数器的计数值，为T1。
接着RA2输出高电平，使模拟开关选择X1（被测电压）作为输入，RA1输出高电平，使V2导通将C1上的电量放完，然后使RA1输出低电平，使V2截止，此时C1上的电容又开始被充电，同时计数器开始计数，当C1上的电压不断上升，并达到比较器输入负端的电压（此时为基准电压）时，比较器的输出端由低电平转为高电平，此时记录下计数器的计数值，为T2。
由于C1是被恒流充电，因此C1上的电压与充电时间成正比，即V="T"*k。当C1的容值与充电的恒流值不变时，k是一个固定不变的常数。由此可以得到：
Vref/T1=V1/T2 ，即 V1=Vref*T2/T1
由于Vref是基准电压（2.495V），因此只要利用单片机的定时器测出T1和T2，就可以计算出被测电压V1的值。
3、A/D转换误差分析及解决办法：
A/D转换的误差主要由以下几个方面决定，分别说明如下：
1、基准电压Vref：在该A/D转换中，Vref电压是造成A/D转换误差的主要原因，如果使Vref电压精度做到较高，则A/D转换误差可以做到很小，在Vref电压精度为0.5%情况下，实际的A/D转换误差小于1%。
2、定时器误差：若单片机对比较器输出端的电位变化反应慢，或定时器误差较大，则测量到的T1与T2值不准，也会导致测量误差。
3、比较器输入端的失调电压：该电压对A/D转换精度有一定影响，但影响较小。
4、运算误差：由于V1值要经过乘除法运算后得到，在进行运算过程中如果数据处理不当，如余数处理不当，也会产生误差。
5、干扰误差：当输入电压不稳时，恒流源的输出电流会有一定的影响，会产生干扰误差。
A/D转换误差的解决办法：
1、对Vref造成的误差，只能通过提高Vref电压精度来解决，它相当于A/D转换的基准电压。
2、对于定时器误差，在单片机中可使RA0口采用带电平变化中断功能的I/O口，以提高反应速度，同时减少恒流源的电流大小，或加大C1电容容量，可以增加T1、T2的测量时间，使计数值加大，达到提高A/D转换精度的目的。
3、选用灵敏度高的比较器可解决比较器输入端导致的误差问题。
4、对运算误差，可以通过软件上的改进来解决。
5、对于干扰造成的误差，可对A/D转换值进行数字滤波，如多次转换求平均值等方法来解决。数字滤波消除误差的方法很多，在此不再赘述。
4、A/D转换速度及提高办法：
由于该A/D转换是通过恒流源对C1电容充电后再进行比较来完成的，C1电容的充电过程需要一定的时间，因此其A/D转换速度较慢，适用于对A/D转换速度要求不高的产品中，其A/D转换速度取决于以下几个方面：
1、恒流源的电流大小：恒流源的充电电流越大，C1上的电压上升速度就越快，到达被比较电压的时间也就更短，转换速度就更快。
2、C1电容的大小：其道理与前一点一样，当电容小时，电压上升速度就越快，到达被比较电压的时间也会越短，转换速度就越快。但由于计数值小，由定时器造成的测量误差也有可能加大。
3、单片机的工作频率：由于A/D转换值是经过乘除运算后完成的，因此单片机的运算速度也会对A/D转换速度有影响，尤其当计数器值为16位时。
由上所述，A/D转换的速度可以通过提高单片机的工作频率，增大恒流源的输出电流，减小C1电容容值来加快A/D转换速度，但要注意当T1、T2 计数值太小时有可能使定时器因素造成的误差增大，因此在实际使用中要综合考虑，在提高转换速度时，保证A/D转换精度，选择最适用于产品的参数值。
5、输入电压的测量范围：
A/D转换的输入电压测量范围为0V至4.5V，当C1被充电至大于4.5V时，恒流源输出将不再恒流，C1上的电压与时间将不成正比，因此测量范围只到4.5V。若要提高被测电压范围，可将输入电压通过电阻分压后进行测量，但其A/D转换的误差会受分压电阻影响。
6、A/D转换通道的多路扩展：
图中的8选一模拟开关只用到其中的2路，实际应用中其它的6路也可使用，这样A/D转换的通道可扩展到7路，因此在用4个I/O口情况下，可实现3路A/D转换，在用5个I/O口情况下，可实现7路A/D转换。
