谈谈如何规划配置单片机的 AD 输入信号

谈谈如何规划配置单片机的 AD 输入信号
通常,使用AD转换时,首先需要得到参数的是分辨力,SN 单片机 OTP 的许多都是 12 位分辨力,而 F 系列的芯片则较多是 10 位.
   当芯片的 AD 分辨力为 12 位时,对于 5V 供电同时又是 5V 基准来说, 5*1000/4095=1.221001mV/字, 就是说,信号每变化 1.221001mV,读数就会变化 1 个字.
    当芯片的 AD 分辨力为 10 位时,对于 5V 供电同时又是 5V 基准来说, 5*1000/1023=4.887586mV/字, 就是说,信号每变化 4.8875861mV,读数就会变化 1 个字.
很明显,位数越多,分辨力就越细微,灵敏度就越高!
    许多芯片都有外部基准引脚,允许使用外部参考电压,这就可以成倍地提高其 AD 转换的分辨力.同时,也成倍地降低最大输入信号的幅度.
   查阅 SN 芯片手册,较多提及的是允许外部基准最小值为 2.000V ,如果是使用这个数值,对上面的计算可以重新来一次:
   分辨力=12位: 2*1000/4095=0.4884mV/字, (5V基准时是1.221001mV/字).
   分辨力=10位的: 2*1000/1023=1.955034mV/字, (5V基准时是4.887586mV/字).
    可见,由于减少了基准电压,分辨力就大大提高了!在许多时候,这个提高是很有用处的.
    然而,分辨力的提高,完全依赖单片机自身的 AD 分辨力到底能不能达到这个数量级.在查阅 SN 单片机手册时,某些具体型号的芯片就有一个规定: 如果使用 5V 的 VREF,就有 12 位的分辨力,否则就只有 8 位分辨力.这种以牺牲分辨力换取外部非 5V 基准的做法是得不偿失的.
    当允许使用非 5V 的基准电压而又不降低分辨力的时候,使用外部基准才有实际意义.
   下面通过一个使用 SN8P27143 的实际例子来说明:

该芯片有专门的外部 VREF 输入引脚,手册没有说明使用外部 VREF 时会让分辨力下跌到 8 位.其外部 VREF 的范围是 2.0V～5.0V,模拟输入信号假设是 K 热电偶的信号,就需要放大器放大,这里选择通用单电源供电的 LM358 作为放大器,以便让热电偶每℃仅仅 40uV 左右的信号放大到可以让单片机 AD 转换能够分辨的幅度.
    这个放大器的最大输出幅度就与单片机的 VREF 紧密相关了.
    通常,这种放大器在 5V 供电时,最大输出电压只能达到 3.6V 左右,根本到不了 5V ,如果此时使用 5V 作为基准,就会让 5-3.6=1.4 这区域的读数白白浪费了!为了让单片机的 AD 分辨力发挥最大能力,就要让 VREF 不能超过放大器的最大输出电压.
(也曾使用过"轨到轨"满幅度输出的放大器,例如:圣邦微电子的 SM358 就可以在 5V 供电时输出也达到非常接近 5V .)
    图上的 VREF 使用电阻分压得到,改变 RVE 的大小,就可以得到各种 VREF 电压.(也可以使用精密稳压管来提供这个 VREF 电压 ).
     同样,同相放大器外围的 RF 电阻,与 270K 电阻构成放大器的放大倍数关系,它必须保证最大信号输入时,放大器输出也达到最大输出.
    例如:
    K 偶最大量程定在 800℃,查阅 K 温度/mv 表格,得到此时输出电压=33.275mV ,于是, 3.5*1000/33.275=105.184072,由于是同相放大器,需要把放大倍数 -1=104.184072,得到 RF=270/104.184072=2.591567(KΩ),从 E96 分度电阻系列里选择 2.55K+0.0422K的电阻,串联后:2.55K+0.0422K=2.5922K(宁可稍大,不能稍小,小了会让放大器输出饱和!),
    核算:270/2.5922+1=105.15863(倍).比理论计算稍小一点点.
   在许多情况下,原始信号可以不要放大器而直接输入到 AD 的输入端,例如40/AIN0 ,此时,要注意原始信号的输出阻抗问题.
   据 SN 的应用资料上介绍,AD 输入阻抗与 AD 转换速率有关,当转换速率从 1/S 次变化到 100K/S 次时,输入阻抗从 20000MΩ 变化到 200KΩ,要求信号源的内阻也从 4.88MΩ 变化到 48.8Ω ,要想得到最好的效果,必须保证 AD 输入阻抗绝对＞信号源内阻+R1 ,加大一些 C1 可以减少一些 R1 ,详情可见 SN 网站的 SN_SARADC App Notes (Ver 02C).pdf 一文.
   通用放大器的输入阻抗也不是非常高,同相放大器最大大致在 1MΩ 左右,而放大器的输出一般就只有几十Ω,是非常理想的驱动信号源内阻.要想再提高放大器的输入阻抗,就得使用高阻抗输入的放大器了,例如: TL06* 系列,或者 SM8522 "轨到轨"输出的型号.(运算放大器还有许多参数指标,通常在低频一般性应用时,都无需一一关心,故此,这里也就不再涉及无关内容.)
   仅供参考.