基于AVR单片机的AD转换扩展电路设计

李金奎 张静秋

摘 要：文章设计了一种利用ATmega8自带的10位AD转换器，搭建外围电路实现更高AD转换分辨率的扩展，结果表明，该转换电路稳定可靠，价格低廉，具有11位分辨率，可进一步扩展，具有良好的市场前景。

关键词：AD转换；分辨率；ATmega8

AD转换器是一种将模拟量转换为数字量的器件，在测量领域、现代智能化仪器仪表中占有十分重要的地位，而工程应用中为了提高测量精度，就需要选择更多位数的AD转换器，而位数越高，AD转换器成本越高，难以得到推广和普及[1]。本文设计一种利用ATmega8自带的10位AD转换器，实现更高AD转换分辨率的扩展，目前已经投入实际生产中[2]。

1 AD扩展原理

扩展原理如图1所示，ATmega8单片机自带一个10位的AD转换器，图中每一格所代表的AD的分辨率，即1/1 024。为了提高分辨率，利用ATmega8单片机的两个AD通道，各自进行一次AD转换，在转换中，每一个AD通道，转换的参考电压为VREF，而总转换的参考电压为V?REF=2VREF。输入模拟量ui≤2VREF，AD0通道，转换的模拟量在0～VREF；AD1通道，转换的模拟量在VREF～2VREF，AD转换的总数字量就是两个通道数字量之和，这样就可以将AD转换分辨率提高到1/2 048，扩展成11位的AD转换。

2 AD扩展电路设计

根据扩展原理，首先要将输入的模拟量ui分成两个部分，第一个部分0～VREF，第二个部分VREF～2VREF，然后分别送给单片机的两个AD通道进行转换。电路如图2所示，扩展电路主要由运放、电阻组成一个放大倍数为1的减法器和二极管构成一个钳位保护电路。AD0通道的输入电压为ui；AD1通道转换的输入电压为运放的输出电压u1，在减法器中，要求电阻R1=R2=R3=R4，选择同一批次精度为1%的10 kΩ电阻，放大倍数为1的减法器，根据减法器的原理，可得：

当输入的模拟量ui≤VREF时，减法器的输出电压u1为：u1=ui-VREF≤0，﹣VREF≤u1≤0，由于有二极管钳位电路，故通道AD1输入电压uAD1被钳位在﹣0.7 V≤u1≤0，保护AD1转换输入口，所以AD1通道转换的数字量DAD1=0x000。通道AD0的输入电压为：uAD0=ui≤VREF，AD0通道钳位电路不起作用，故AD0转换的数字量为DAD0，即输入电压数字量D=DAD0+DAD1=DAD0+0x000=DAD0。

当输入模拟量VREF0，u1的电压范围0

为了進一步提高AD转换的分辨率，可以在两通道的基础之上继续增加转换通道，当输入电压ui时，根据前面介绍的扩展电路，那么要将输入的模拟量ui分成3个部分，第一个部分0～VREF，第二个部分VREF～2VREF，第三个部分2VREF～3VREF，然后分别送给单片机的3个AD0，AD1，AD2通道进行转换。转换后的数字量为三通道的数字量之和D=DAD0+DAD1+DAD2。具体的电路如图3所示，根据产品的设计需求，可以用上述方法继续扩展可提高AD转换的位数。

3 软件程序

为了保证各通道AD转换工作有序的进行，必须要对整个工作过程进行程序控制，程序主要依次启动各AD转换通道，分别得到数字量DAD0，DAD1，...DADn，最后将得到的数字量求和，程序流程如图4所示。

4 结语

本文利用ATmega8自带的10位AD转换器，通过外围电路的搭建来增加AD转换转换的位数，从而实现更高AD转换分辨率的扩展。由运放、电阻组成一个放大倍数为1的减法器，实现了对输入电压ui的分段，两个二极管构成的钳位保护电路保证了单片机输入电压在﹣0.7 V～VREF+0.7 V，电阻要求选择同一批次精度为1%的10 kΩ。在室温下，对设计电路进行测试，利用两个AD通道时，分辨率可达11位，转换时间60 μs，系统稳定可靠，实验测试数据表1所示。该电路设计简单，具有一定的创新性和实际应用价值，具有良好的市场前景，目前已经投入实际生产中。

[参考文献]

[1]马艳玲，赵战民，李明亮.高精度两次采样AD转换[J].微计算机信息，2008（14）：311-312.

[2]张英平，张朝阳.基于单片机的逐次比较型AD转换电路设计[J].阜阳师范学院学报（自然科学版），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