片上ADC/DAC实现精度可调ADC的方案

　　这里给出一种利用MCU自带ADC和DAC，并结合运放、电容、电阻等元件搭建外围硬件电路，实现10～20位测量精度可调的ADC的方法。

　　1 高精度ADC设计原理

　　输入电压经过电阻分压产生电压U入，送入由运放和电阻组成的减法运算电路的同相端，分压的原因是输入电压最大值大于运放的最大输入电压。MCU的DAC输出经过同相比例运算电路放大之后产生与U入相近的电压U近，送入减法电路的反相端。同相比例运算电路的作用是扩大DAC的输出电压范围，使U入和U近的最大值近似相等。经过减法运算电路之后的电压差值U差经过箝位电路送入MCU的ADC，通过读ADC寄存器的值可得U差的值。箝位电路是防止ADC的输入电压超过量程，而导致烧毁MCU。

　　在测量时，由软件控制改变DAC寄存器的值，从而改变DAC输出电压值，使U差的电压值在量程范围(0～3 V)之内。此时通过读DAC和ADC的寄存器的值，可得DAC输出电压与送入ADC的电压U差的值。根据DAC的输出电压和同相比例运算电路公式可得U近电压值，根据减法电路公式、U差和U近的值可得输入电压值。

　　系统硬件框图如图1所示。

　　

 

　　2 系统硬件设计

　　图2为实现17位ADC原理图。U101、R100、R101、R102、R103组成减法电路，U102、R108、R109、R116组成同相比例运算电路。VD100

　　组成箝位电路。VR是由基准电压源产生的3 V的基准电压。R117和R118组成分压电路，在R118上的电压为45 mV可抵消运放的零漂。ADO是MCU的ADC通道0的输入端。

　　

 

　　图2所示的电路虽然只是实现17位ADC，但通过修改几个特定的电阻阻值就可实现调节测量输入电压范围和ADC测量分辨率。通过修改同相比例运算电路中R109与R116比例值，可实现调节输入电压的测量范围;通过修改减法电路中的R103与R100比例值，可实现调节ADC的分辨率。下面结合实现17位ADC硬件设计电路图，具体说明如何实现17位高精度ADC、调节测量输入电压范围和实现10～20位精度可调的ADC。

　　2.1 17位ADC的实琨过程

　　对于一个n位的ADC，其分辨率为可测量最大输入电压值与2n的比值。因此，此电路图可实现的ADC的位数可以通过输入电压的最大值和分辨率计算得出。

　　1)计算输入电压测量范围的方法 由图2可知，ADC的输入电压计算公式如下：

　　

 

　　式中，VIN是输入电压，VDAOUT是当ADC的输入电压处于量程范围之内时DAC电压，VDAO是ADC输入电压。

　　由式(2)可知，当DAC的输出电压和ADC的输入电压刚好达到最大值3 V时，输入电压为59.1 V，此电压值为系统可测量的最大输入电压值。由此可见输入电压的测量范围是0～59.1 V。

　　2)ADC分辨率的计算方法 当DAC的输出为零时，即VDAOUT=0时，由式(2)可知输入电压VIN与VADO的电压的关系为：

　　VIN=VADO/10。MCU的ADC位数是1O位、最大输入电压是3 V。因此，ADC分辨率为0.292 mV。

　　3)实现17位ADC根据输入电压最大值与ADC分辨率的比值计算出此电路图实现的ADC的位数。由59.1/(0.292x10-3)=202 397=217.6，可以看出此电路实现了17位的ADC。

　　2.2 调节测量输入电压范围的方法

　　因为VADO和VDAOUT的最大值都是3 V，由式(2)可知，可测量的最大输入电压值是由R100、R103、R116、R109决定的。改变R100与R103的比值会影响ADC的测量精度，因此，调节测量输入电压范围主要是通过调节R116与R109的比值。由式(2)容易看出，当R116增加时，测量电压输入范围增加，R109增加时测量电压输入范围减小。

　　2.3 实现10～20位精度可调ADC的方法

　　由17位ADC的实现过程可知，此电路实现ADC的位数是由测量输入电压最大值和ADC的分辨率决定的。所以在改变ADC的位数时，要通过改变测量输入电压范围或者ADC分辨率。但是，系统测量输入电压范围是固定的。因此，可通过改变ADC分辨率实现ADC的位数改变。

　　1)调节ADC分辨率的方法当DAC的输出电压为零时，将式(2)化简为式(3)：

　　

 

　　由式(3)可知，当MCU的ADC变化一个电压刻度值时，VIN变化6R100/R103。ADC位数是10位、最大输入电压是3 V。因此，ADO分辨率为3 V/1 024=2.92 mV，ADC的分辨率为2.92x10-3x6R100/R103。由此可见，R100增加时，分辨率下降;R103增加时，分辨率提高。

　　2)实现10～20位精度可调ADC通过可测量的输入电压最大值与要实现的ADC的位数可计算出ADC的分辨率，再通过式(3)可求出R100与R103的比例关系。按照R100与R103的比例关系修改其阻值，即可实现要得到的ADC的位数。例如将本系统修改为20位ADC，则ADC测量精度应该为59.1 V/220=0.056 mV。由式(3)可知0.056=6x0.292xR100/R103，所以修改R103与R100的比值为312.8，即可以实现20位的ADC。通过此方法可实现10～20位精度可调的ADC。

　　2.4 硬件设计说明

　　U100是由运放OPA177F组成的电压跟随器，具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点，在本系统中的作用是实现匹配U101的输入电阻和提高对输入电压分压的精确度。R101和R100第二级减法运算电路的输入匹配电阻，其阻值不宜小于10 kΩ，太小会影响ADC的测量精度。R104为限流电阻，防止电流超过VD100的最大额定电流。

　　R117和R118组成分压电路，在R118上的电压为45 mv，可抵消运放的零漂。若不加此分压电路且DAC输出为零时，经过实际测量TP102点的电压约为120 mV，这是由运放的零漂造成的，会影响ADC的测量精度。在每一个运放输入端添加了0.1 μF的电容，去除高频信号，提高输入信号的稳定性。

　　3 系统软件设计

　　软件部分主要功能是对输入电压的测量。因为硬件设计中，运放和电阻本身的参数存在误差，所以它们组成的放大电路的放大倍数存在误差，从而造成ADC测量产生误差。因此，传统方法直接利用它们组成的放大电路的计算公式(式(2))计算出的输入电压值误差比较大，电压跳动明显。因此，在系统第一次测量输入电压前，首先通过软件设计建立输入电压校正表校正的方法实现减小误差。

　　校正表是在第一次测量之前建立的数据表，作用是通过此表观察输入电压值与测量值之间满足何种曲线关系。在测量输入电压时，通过得到的曲线关系选择拉格朗日插值算法，并将测量的值代入选择的拉格朗日插值公式，计算出较为精确的输入电压值。