一种提高单片机模数转换精度的电路的制作方法

本发明属于采集信号处理技术领域，尤其是涉及一种提高单片机模数转换精度的电路。

背景技术

在高压共轨燃油系统控制中，模拟量的采集精度是影响系统控制品质的关键技术之一。目前常用的方法是用单片机系统自身的模数转换通道进行数据采集，其采集精度能够达到2¹⁰＝1024个单位，这样的采集精度不能满足精确的测试的需求，一般情况下都需要扩展高精度的a/d模数转换专用芯片，以此来提高采集分辨率，达到高精度的控制。

但这会使控制系统的成本增加，而且由于扩展的芯片一般都需要并行或串行接口进行处理，对单片机的接口资源比较浪费。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种提高单片机模数转换精度的电路，有效弥补了单片机系统a/d转换方面的限制，且节约成本和单片机接口资源。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种提高单片机模数转换精度的电路，主要包括单片机u6、放大器u4、比较器u5、模拟开关u1、模拟开关u2、模拟开关u3、积分电容c1，

当采集电压信号大于0时，输入信号uin通过限流电阻r1连接到模拟开关u1的输入脚，经模拟开关u1的输出脚连接到充电电阻r2的一端，充电电阻r2的另一端同时连接到积分电容c1的一端、模拟开关u2的输入脚、放大器u4的负输入脚、保护二级管d1的负端、放电电阻r4的一端；保护二级管d1的正端同时和放大器u4的正输入脚、对地电阻r6的一端、对地电容c2的一端相连，对地电阻r6、对地电容c2的另一端连接到电源地；

放大器u4的输出脚和保护电阻r7一端相连，保护电阻r7的另一端同时和积分电容c1的另一端、比较器u5的负输入脚、泄流电阻r5的一端、差模电容c3的一端相连，泄流电阻r5的另一端和模拟开关u2的输出脚相连；差模电容c3的另一端和比较器u5的正输入脚、对电阻r10的一端、反馈电阻r9的一端相连；反馈电阻r9的另一端和上拉电阻r8的一端、单片机u6的中断输入脚int相连，上拉电阻r8的另一端连接到+5v；

所述模拟开关u1、模拟开关u2、模拟开关u3的控制脚分别连接到单片机u6的out1脚、out2脚、out3脚；放电电阻r4的另一端连接到模拟开关u3的输入脚，模拟开关u3的输出脚和限流电阻r3的一端、稳压管z1的正端连接，限流电阻r3的另一端连接到电源-5v上，稳压管z1的负端连接到电源地；

当采集电压信号等于或小于零时，所述限流电阻r1连接输入信号uin的一端连接负电压转换辅助电路的输出端。

进一步的，所述负电压转换辅助电路主要包括放大器u6和放大器u7，输入电压uin0通过负端电阻r11连接到放大器u6的正输入脚，放大器u6的负输入脚通过接地电阻r12连接到电源地，放大器u6的负输入脚同时通过反馈电阻r15连接到其输出脚、分压电阻r18的一端；基准电压uref通过输入电阻r13连接到放大器u7的负输入端、反馈电阻r16的一端，反馈电阻r16的另一端连接到放大器u7的输出端、分压电阻r17的一端，放大器u7的正输出端通过接地电阻r14接地；分压电阻r18的另一端和分压电阻r17的另一端相连输出信号uout0。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明是一种基于单片机系统计数器、外部通用放大器、模拟开关和阻容元件组成的高精度模数转换电路，采集精度能够达到2¹⁶＝65535个单位，比单片机自带10位a/d模数转换通道的精度提高64倍，有效弥补了单片机系统a/d转换方面的限制，拓展了单片机系统产品的应用前景。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的系统电路；

图2为本发明实施例所述的负电压转换辅助电路；

图3为本发明实施例所述的转换逻辑图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例一种提高单片机模数转换精度的电路，如图1所示，主要由单片机u6、放大器u4、比较器u5、模拟开关u1、模拟开关u2、模拟开关u3、积分电容c1和电阻、电容元件等组成，

输入信号uin通过限流电阻r1连接到模拟开关u1的输入脚1，经模拟开关u1的输出脚2连接到充电电阻r2的一端，充电电阻r2的另一端同时连接到积分电容c1的一端、模拟开关u2的输入脚1、放大器u4的负输入脚、保护二级管d1的负端、放电电阻r4的一端；保护二级管d1的正端同时和放大器u4的正输入脚、对地电阻r6的一端、对地电容c2的一端相连，对地电阻r6、对地电容c2的另一端连接到电源地；

放大器u4的输出脚和保护电阻r7一端相连，保护电阻r7的另一端同时和积分电容c1的另一端、比较器u5的负输入脚、泄流电阻r5的一端、差模电容c3的一端相连，泄流电阻r5的另一端和模拟开关u2的输出脚2相连；差模电容c3的另一端和比较器u5的正输入脚、对电阻r10的一端、反馈电阻r9的一端相连；反馈电阻r9的另一端和上拉电阻r8的一端、单片机u6的中断输入脚int相连，上拉电阻r8的另一端连接到电容+5v。

模拟开关u1的控制脚3连接到单片机u6的out1脚，模拟开关u2的控制脚3连接到单片机u6的out2脚，模拟开关u3的控制脚3连接到单片机u6的out3脚；放电电阻r4的另一端连接到模拟开关u3的输入脚1，模拟开关u3的输出脚2和限流电阻r3的一端、稳压管z1的正端连接，限流电阻r3的另一端连接到电源-5v上，稳压管z1的负端连接到电源地。

图2为该提高单片机模数转换精度的电路的负电压转换辅助电路，如果系统转换过程中需要采集等于或小于零的电压，需要增加如下此辅助电路：

输入电压uin0通过负端电阻r11连接到放大器u6的正输入脚，放大器u6的负输入脚通过接地电阻r12连接到电源地，放大器u6的负输入脚同时通过反馈电阻r15连接到其输出脚、分压电阻r18的一端；基准电压uref通过输入电阻r13连接到放大器u7的负输入端、反馈电阻r16的一端，反馈电阻r16的另一端连接到放大器u7的输出端、分压电r17的一端，放大器u7的正输出端通过接地电阻r14接地；分压电阻r18的另一端和分压电阻r17的另一端相连输出信号uout0，此时，输出信号uout0通过限流电阻r1连接到模拟开关u1的输入脚1。

图3为该处理电路的工作过程逻辑图，共包括以下四个过程：

1)初始化过程

t0时刻out1输出高电平，选通模拟开关u2，积分电容c1两端通过模拟开关u2、泄流电阻r5进行放电，到t1时刻，放电完成，放大器u4输出电压信号u3-变为零电压，比较器u5的输出信号u3_out变为高电平，单片机u6的int端接收到可以进行采样的中断，完成电路初始化；

2)充电过程

t2时刻out2输出高电平，选通模拟开关u1，输入电压信号uin通过限流电阻r1、模拟开关u1、充电电阻r2给积分电容c1进行充电，放大器u4的输出电压信号u3-逐渐变小，整个充电时间持续t1，到t3时刻，充电过程结束，out2输出低电平，out3输出高电平；

3)放电过程

t3时刻out3输出高电平，选通模拟开关u3，积分电容c1通过放电电阻r4、模拟开关u3、限流电阻r3对基准电压uref进行放电，放大器u4的输出电压信号u3-逐渐变大；当t4时刻电压到达v1时，比较器u5的输出信号u3_out变为低电平，单片机u6的int端接收到放电结束中断，out3输出低电平，out4输出高电平，整个放电过程持续时间为t2，该持续时间和输入电压信号uin成正比，能够反映输出电压的值；其中该基准电压uref是电源-5v通过限流电阻r3和稳压管z1得到的；

4)泄流过程

t4时刻out1输出高电平，选通模拟开关u2，积分电容c1两端通过模拟开关u2、泄流电阻r5进行放电，到t5时刻，放电完成，放电总时间为t3，t6时刻可以开始下一个转换过程，从t2时刻开始循环。

当需要采集的信号为负电压时，需要连接负电压转换辅助电路，如图2所示，uref负基准电压通过反相放大器u7和输入电压uin0经放大器u6放大后的电压通过电阻r17、电阻r18形成叠加信号uout0，该信号可以连接到图1的uin端。

uout0＝((－k×r18×uref)+(uin(1+r15/r12)×r17))/(r18+r17)

其中k为反相放大系数，(－k×r17×uref)值为正，调整r17、r18的值，保证uout0输出值大于零，保证系统积分电路正常转换；调整r12、r15的值，保证uout0工作在a/d满度范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。