CN105680860B - 提高单片机模数转换精度的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高单片机模数转换精度的电路和方法，将采样信号的模拟量转换为数字量Dobj；将单片机内部的基准电压源的模拟量Vrefint转换为基准电压源的数字量Drefint；再根据公式Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref获得实际输出的采样信号的数字量Vobj_实；其中，Vref为参考电压模拟量，Din为模数转换的满量程数字量，采样信号的模拟量和基准电压源的模拟量转换为数字量时使用同一个参考电压源，从而减少了使用原始的参考电压模拟量导致的输出的实际采样信号模拟量与原始的采样信号模拟量偏差，有效地提高了单片机模数转换的精度。

Description

提高单片机模数转换精度的电路和方法

技术领域

本发明涉及单片机技术领域，尤其涉及一种提高单片机模数转换精度的电路和方法。

背景技术

单片机系统对特定信号对象进行模数转换(Analog-Digital-Converter)，遵循以下转换公式：Dobj＝(Vobj/Vref)*Din，其中Dobj为被采样信号对象模数转换后的数值，Vobj为被采样信号对象模拟量，Vref为参考电压模拟量，Din为满量程时的数值，其取决于采样器件的采样精度，如8-bit的ADC，其Din值为256,10-bit的ADC，其Din值为1024。在采样器件的采样精度确定后，参考电压模拟量Vref对模数转换的结果有着重要影响，其稳定性决定着模数转换的结果的精度及后续可能利用该结果的相关操作。

当前在很多应用中，参考电压源的选择一般有以下途径：1、通过高精度参考电压源芯片获取稳定的高精度电压，比如microchip公司的mcp1525芯片，该方案应用简单，模数转换的结果也较为精确，但是该方案中，芯片价格较贵、输入输出至少相差150mV以上。并且在DC3.6V电池供电系统中该特性可能会降低电池的使用寿命，如电池电压下降到参考电压源芯片要求的最小工作电压时，会影响输出的参考电压值及稳定性，但该电压阈值对于系统的其它应用是完全正常支持的，由于模数转换的需要，可能需要提前更换电池，不能充分利用电池的有效寿命。2、部分单片机自身配置了通过更改内部寄存器设置就可以利用的内部参考电压源，如德州仪器的MSP430系列单片机，该方案过程利用也相对简单，其缺点是内部参考电压源一般小于工作电压源，如果需要对跟工作电压源大小相当的信号进行模数转换，信号对象需要分压才可接入测试通道，因为分压电路的存在，分压电阻的精度及同一性也会影响测试结果的精度及同一性。

申请号为201310661556.0的中国专利文件，公开了一种提高模拟量采集装置模数转换精度的方法，将上述参考电压模拟量Vref作为变量，单片机外围增设相互连接的电压测量装置和上位机，通过电压测量装置测量实际的参考电压模拟量Vref，并通过上位机将实际的参考电压模拟量Vref传递至单片机中，完成对实际的采样信号模数转换的计算。

上述方案通过测量实际的参考电压模拟量Vref提高了模拟量采集装置模数转换精度，但是该方案需要在单片机外围增设电压测量装置和上位机，大大提高了成本，且通过电压测量装置测量出实际的参考电压模拟量Vref使得其模数转换的经度也受限于电压测量装置的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种提高单片机模数转换精度的电路和方法，能够解决单片机参考电压源动态变化时模数转换精度受影响的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种提高单片机模数转换精度的电路，包括第一模数转换器、第二模数转换器和一处理器；所述第一模数转换器输入端连接一采样信号和一参考电压源，输出端连接所述处理器；所述第二模数转换器输入端连接一基准电压源和所述参考电压源，输出端连接所述处理器；所述基准电压源为单片机输出的内部基准电压源；所述处理器执行Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref的计算后输出采样信号的模拟量Vobj_实，其中Vref为参考电压模拟量，Dobj为第一模数转换器的输出结果，Drefint为第二模数转换器的输出结果，Vrefint为基准电压源的模拟量，Din为模数转换的满量程数字量。

本发明提高单片机模数转换精度的电路的有益效果在于：通过第一模数转换器输入端连接一采样信号和第二模数转换器输入端连接单片机输出的内部基准电压源得到采样信号的数字量Dobj和基准电压源的数字量Drefint，第一模数转换器和第二模数转换器的输出端连接处理器，将Dobj和Drefint送入处理器，即可计算出动态的参考电压模拟量，并根据动态的参考电压模拟量计算并输出实际的采样信号模拟量，减少了参考电压模拟量变化导致的输出的实际采样信号模拟量与原始的采样信号模拟量偏差，有效地提高了单片机模数转换的精度。

一种提高单片机模数转换精度的方法，所述单片机包括内部基准电压源，所述方法包括：

获取采样信号的模拟量，将采样信号的模拟量转换为采样信号的数字量Dobj；

获取单片机内部的基准电压源的模拟量Vrefint，将基准电压源的模拟量转换为基准电压源的数字量Drefint；

根据公式Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref获得实际输出的采样信号的数字量Vobj_实；

其中，Vref为参考电压模拟量，Din为模数转换的满量程数字量，采样信号的模拟量和基准电压源的模拟量转换为数字量时使用同一个参考电压源。

本发明提高单片机模数转换精度的方法的有益效果在于：由于基准电压源的模拟量Vrefint对于一个单片机是已知的，根据模数转换后的基准电压源的数字量Drefint及其模拟量Vrefint即可得到每一次模数转换动态的参考电压模拟量Vref，根据动态的参考电压模拟量以及采样信号的数字量Dobj计算得到实际输出的采样信号的数字量Vobj_实，减少了使用原始的参考电压模拟量导致的输出的实际采样信号模拟量与原始的采样信号模拟量偏差，有效地提高了单片机模数转换的精度。

附图说明

图1为本发明实施例一的提高单片机模数转换精度的电路图；

图2为本发明实施例二的提高单片机模数转换精度的方法流程图。

标号说明：

1、采样信号；2、第一模数转换器；3、参考电压源；4、第二模数转换器；5、基准电压源；6、处理器。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明最关键的构思在于:根据单片机内部基准电压源的模拟量和模数转换后的数字量计算出动态的参考电压模拟量。

请参阅图1，

一种提高单片机模数转换精度的电路，包括第一模数转换器2、第二模数转换器4一处理器6；所述第一模数转换器2输入端连接一采样信号1和一参考电压源3，输出端连接所述处理器6；所述第二模数转换器4输入端连接基准电压源5和所述参考电压源3，输出端连接所述处理器6；所述基准电压源5为单片机输出的内部基准电压源5；所述处理器6执行Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref的计算后输出采样信号的模拟量Vobj_实，其中Vref为参考电压模拟量，Dobj为第一模数转换器2的输出结果，Drefint为第二模数转换器4的输出结果，Vrefint为基准电压源5的模拟量，Din为模数转换的满量程数字量。

本发明提高单片机模数转换精度的电路的有益效果在于：通过第一模数转换器2输入端连接一采样信号1和第二模数转换器4输入端连接单片机输出的内部基准电压源5得到采样信号的数字量Dobj和基准电压源5的数字量Drefint，第一模数转换器2和第二模数转换器4的输出端连接处理器6，将Dobj和Drefint送入处理器6，即可计算出动态的参考电压模拟量，并根据动态的参考电压模拟量计算并输出实际的采样信号模拟量，减少了使用原始的参考电压模拟量导致的输出的实际采样信号模拟量与原始的采样信号模拟量偏差，有效地提高了单片机模数转换的精度。

进一步的，所述参考电压源3为单片机的供电电压。

从上述描述可知，参考电压与供电电压同源，保证了被测信号对象与单片机供电电压同源时，无须外部分压电路，减少了干扰。

进一步的，所述第一模数转换器2、第二模数转换器4和处理器6均为所述单片机内部模块。

从上述描述可知，本电路实现时无需再引入单片机以外的元器件，节省了资源。

请参阅图2，

一种提高单片机模数转换精度的方法，所述单片机包括内部基准电压源，所述方法包括：

S1、获取采样信号的模拟量，将采样信号的模拟量转换为采样信号的数字量Dobj；

S2、获取单片机内部的基准电压源的模拟量Vrefint，将基准电压源的模拟量转换为基准电压源的数字量Drefint；

S3、根据公式Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref获得实际输出的采样信号的数字量Vobj_实；

其中，Vref为参考电压模拟量，Din为模数转换的满量程数字量，采样信号的模拟量和基准电压源的模拟量转换为数字量时使用同一个参考电压源。

本发明提高单片机模数转换精度的方法的有益效果在于：由于基准电压源的模拟量Vrefint对于一个单片机是已知的，根据模数转换后的基准电压源的数字量Drefint及其模拟量Vrefint即可得到每一次模数转换动态的参考电压模拟量Vref，根据动态的参考电压模拟量以及采样信号的数字量Dobj计算得到实际输出的采样信号的数字量Vobj_实，减少了使用原始的参考电压模拟量导致的输出的实际采样信号模拟量与原始的采样信号模拟量偏差，有效地提高了单片机模数转换的精度。

进一步的，根据公式D＝(V/Vref)*Din将模拟量转换为数字量，其中Vref为参考电压模拟量，Din为模数转换的满量程数字量。

进一步的，所述参考电压源为单片机的供电电压。

从上述描述可知，参考电压与供电电压同源，保证了被测信号对象与单片机供电电压同源时，无须外部分压电路，减少了干扰。

请参照图1，本发明的实施例一为：

一种提高单片机模数转换精度的电路，所述单片机包括第一模数转换器2、第二模数转换器4、一处理器6以及一内部的基准电压源5；所述第一模数转换器2输入端连接一采样信号和一参考电压源3，输出端连接所述处理器6，所述参考电压为单片机的供电电压；所述第二模数转换器4输入端连接所述基准电压源5和所述参考电压源3，输出端连接所述处理器6；所述基准电压源5为单片机输出的内部基准电压源，该内部的基准电压源的数值可由单片机的数据手册获取；所述处理器6执行Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref的计算后输出采样信号的模拟量Vobj_实，其中Vref为参考电压模拟量，Dobj为第一模数转换器2的输出结果，Drefint为第二模数转换器4的输出结果，Vrefint为基准电压源5的模拟量，Din为模数转换的满量程数字量。优选的，所述第一模数转换器2、第二模数转换器4和处理器6均为所述单片机内部模块，例如8-bit模数转换器的Din为256。所述参考电压源可为单片机的供电电压，所述第一模数转换器和第二模数转换器的转换位数相同。

所述电路的工作过程和原理如下：采样信号输入第一模数转换器2转换为数字量Dobj并输出至处理器6；单片机的内部基准电压源5的模拟量输入第二模数转换器4转换为数字量Drefint并输出至处理器6；处理器6执行Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref，由于内部基准电压源5的模拟量Vrefint可通过查看数据手册获得，因此对于一个单片机来说，Vrefint是已知的，而Din也是已知的，前面也得到了Drefint和Dobj，将Din、Drefint和Vrefint代入Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint即可获得每一次模数转换动态的参考电压模拟量Vref；将得到的Vref、Dobj和Din即可算出实际的采样信号模拟量Vobj_实。也就是说，即使由于供电电压波动使得Vref产生了变化，但是处理器每次均会根据第二模数转换器的Vrefint和Drefint算出当时实际的Vref，由于两个模数转换器连接同一参考电压源，因此利用该实际的Vref得到的最终的采样模拟量不会受到Vref变化的影响，提高了转换精度。与现有技术相比，本发明不需要额外的电压测试机或上位机，而是利用了单片机内置的基准电压源，整体结构简单，成本低。

请参照图2，本发明的实施例二为：

一种提高单片机模数转换精度的方法，所述单片机包括内部基准电压源，所述方法包括：

S1、获取采样信号的模拟量，将采样信号的模拟量转换为采样信号的数字量Dobj；

S2、获取单片机内部的基准电压源的模拟量Vrefint，将基准电压源的模拟量转换为基准电压源的数字量Drefint；

S3、根据公式Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint获得实际的参考电压模拟量，然后根据Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref获得实际输出的采样信号的数字量Vobj_实；

其中，Vref为实际的参考电压模拟量，Din为模数转换的满量程数字量，采样信号的模拟量和基准电压源的模拟量转换为数字量时使用同一个参考电压源，优选的，所述参考电压源为单片机的供电电压。优选的，根据公式D＝(V/Vref)*Din将模拟量转换为数字量，其中Vref为参考电压模拟量，Din为模数转换的满量程数字量。

下面以一个具体实施例说明，假设参考电压源连接至单片机的供电电源，理想情况为3.6V，但实际上会出现波动，假设第一次模数转换时参考电压模拟量Vref为3.60V，第二次模数转换时参考电压模拟量Vref则波动至3.20V。采样信号的模拟量Vobj为1.50V。采用本方案，查看数据手册得到单片机内部的基准电压源的模拟量为1.224V，模数转换器为12位，即Din为4096。

参考电压模拟量为3.60V时，第一模数转换器输出的数字量为(1.5/3.6)*4096，即1706，第二模数转换器输出的结果为(1.224/3.6)*4096，即1393，处理器根据Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint＝(4096/1393)*1.224＝3.6V，再根据(1706/4096)*3.6得到并输出采样信号的模拟量1.5V，与实际的采样量相符；

参考电压模拟量为3.20V时，第一模数转换器输出的数字量为(1.5/3.2)*4096，即1920，第二模数转换器输出的结果为(1.224/3.2)*4096，即1567，处理器根据Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint＝(4096/1567)*1.224＝3.2V，再根据(1920/4096)*3.2得到并输出采样信号的模拟量1.5V，与实际的采样量相符。也就是说，即使参考电压发生了变化，最终输出的结果仍然与采样信号一致。

相反的，采用传统的方案，不考虑参考电压模拟量的变化，依旧用前面的参考电压模拟量，则参考电压模拟量为3.20V时，采用Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref＝(1920/4096)*3.61＝1.69V，与实际值相差为：ΔV＝1.69–1.50＝0.19V，偏差达到(0.19/1.5)*100％＝12.7％，而且当实际参考电压值与认定值相差越大，被测对象模拟量的还原就偏差越大。

综上所述，本发明提供的提高单片机模数转换精度的电路和方法，将参考电压源分别与第一模数转换器和第二模数转换器连接，从而第一转换模块和第二转换模块使用的参考电压模拟量相同，参考电压源为单片机的供电电压，连接采样信号和基准电压源的模拟量分别输入第一模数转换器和第二模数转换器，经模数转换输出数字量Dobj和Drefint至与第一模数转换器和第二模数转换器输出端连接的处理器，将Drefint和已知的Vrefint、Din代入公式Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint得到动态的参考电压模拟量Vref，再将动态的参考电压模拟量Vref与采样信号数模转换后的数字量Dobj代入公式Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref，从而纠正了因参考电压模拟量变化产生的误差。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种提高单片机模数转换精度的电路，其特征在于，包括第一模数转换器、第二模数转换器和一处理器；所述第一模数转换器输入端连接一采样信号和一参考电压源，输出端连接所述处理器；所述第二模数转换器输入端连接一基准电压源和所述参考电压源，输出端连接所述处理器；所述基准电压源为单片机输出的内部基准电压源；所述处理器执行Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref的计算后输出采样信号的模拟量Vobj_实，其中Vref为参考电压模拟量，Dobj为第一模数转换器的输出结果，Drefint为第二模数转换器的输出结果，Vrefint为基准电压源的模拟量，Din为模数转换的满量程数字量。

2.根据权利要求1所述的提高单片机模数转换精度的电路，其特征在于，所述参考电压源为单片机的供电电压。

3.根据权利要求1或2所述的提高单片机模数转换精度的电路，其特征在于，所述第一模数转换器、第二模数转换器和处理器均为所述单片机内部模块。

4.一种提高单片机模数转换精度的方法，所述单片机包括内部基准电压源，其特征在于，所述方法包括：

获取采样信号的模拟量，将采样信号的模拟量转换为采样信号的数字量Dobj；

获取单片机内部的基准电压源的模拟量Vrefint，将基准电压源的模拟量转换为基准电压源的数字量Drefint；

根据公式Vref＝(Din/Drefint)*Vrefint和Vobj_实＝(Dobj/Din)*Vref获得实际输出的采样信号的数字量Vobj_实；

其中，Vref为参考电压模拟量，Din为模数转换的满量程数字量，采样信号的模拟量和基准电压源的模拟量转换为数字量时使用同一个参考电压源。

5.根据权利要求4所述的提高单片机模数转换精度的方法，其特征在于，根据公式D＝(V/Vref)*Din将模拟量转换为数字量，其中Vref为参考电压模拟量，Din为模数转换的满量程数字量。

6.根据权利要求4或5所述的提高单片机模数转换精度的方法，其特征在于，所述参考电压源为单片机的供电电压。