用单片机设计A-D、D-A转换器-图文

仪器仪表用户文章编号：１６７１－１０４１（２００３）０３－００３９・０３用单片机设计ＡＩＤ、Ｄ／Ａ转换器胡连柱孟凡文刘继修（济宁职业技术学院济宁市２＇７２０３７）鲤堡墅銮遮鲤【摘要】某些单片机内郝巳经集成了Ａ／Ｄ．Ｄ／Ａ转换器，使其在工控行业、仪器仪表．家电产品的应用与日俱增．但是，这类单片机还存在价格偏高、引脚利用辜较低的问焉．介绍一种ｔ生ｆｉ＇ｒｌ七高，在家电产品应用中具有价格竞争优势的利用ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ系列单片机的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换技术．【关键词】ＰＷＭ，分辨率．逐次遗近．电阻梯形网络中图分类号：ＴＰ３６１．８文献标识码：Ｂ１ＰＩＣｌ６Ｃ６２×系列单片机的特点ＰＩＣｌ６Ｃ６２×系列为ＲＩＳＣ精简指令、哈佛结构总线、１８个引脚的单片机，具有低功耗、高性能、全静态，３５条指令极易编程的特点．ＯＴＰ片种的性价比极高，除Ｔ具备一般单片机的特点外，ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ系列内部集成了两个模拟比较器和一个４ｂｉｔ的可编程基准电Ｊ｛主源（ＶＲＥＦ）．如果利用该单片机的这些特点，只需几个外围ＲＣ元件就具备ＡＩＤ与Ｄ／Ａ转换功能，且分辨率达到８ｂ“～ｌ（弛ｉｔ，价格上的优势使其在工控行业、仪器仪表，家电产品的应用前景极为乐观．本文以８ｂｉｔ分辨率论证Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ转换的实现方法，更高分辨率的方案完全相似，只是在编程上作小部分调整．２Ｄ／Ａ转换器ＰＩＣＩＯＣ６２ｘ系列单片机内部部分功能模块及Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ的电路如图１所示。２．１利用内部基准源ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ系列单片机内部基准源由一１６个抽头的电阻梯形网络构成，相当于一个４ｂｉｔ分辨率的ＤＪＡ转换器．该基准源由ＶＲＣＯＮ特殊功能寄存器控制。ＶＲＣＯＮ欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告俘患寄存器定义如下：ＶＲＥＮＶＲＯＥＶｐ．Ｒ％ＶＲ２＇ＶＲＩＶＲ０ｖＲ刚：ＶＲ菇准电压澡使胄ｂ位。当ＶＲＢＮ＝１时，内部基准电压源使舱．ＶＲｏＥ：ＶＲＢ瑚出选择位，ＶＲＯＥ＝Ｉ时。Ｖ耐出至ＲＡ２引脚．Ｖｎ：ｖｌｑ艘迷择，ＶⅡＦ值可编程设定为高低两个段输出．ＶＲ３～ＶＲｏ：４ｂｉｔＶＲ耶电压值．改变该４位的值即改变了ＶＲＥＦ的电压值．为了后文说明的需要，将该４位二进制码作如下定义：ＶＲ＝咯３％嗉Ｊ咚目｝量－＝｝白｝玉略ｌＶＲ０＂１根据ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ的特性：（１）当ＶⅡ＝１时。低段基准电压输出ＶＲＥＦＬ＝ＶＤＤ＋Ｖｐ．Ｌ／２４，分辨单元ＶＦＩ－ＶＤＤ，２４．ＶＲＥＦＬ电压值范围为：ＶＲＬ＋ＶＤＤ／２４，ＶＲＬ＝０～１５，表示相应的低段二进制码值．（２）ＶＲＲ＝０时，ＶＲＥＦＨ＝ＶＤＤ／４＋ＶＤＤ岬ＲＨ，３２，删弹元Ｖ萨ＶＤＤ，３２．Ｖ旷ｏ～ｌｓ，ＶＲ赢示相应的高段二进制码值。ＶＲＥＦＨ电压值变化范围为：ＶＤＤ／４～２３＋ＶＤＤ／３２．上述ＶＤＤ为ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ的供电电压，只要在该供电端加—个简单的ＵＣ电源去耦电路，就能很好的保证基准电压ＥＩＣＶ０１．１０２００３Ｎｏ．３３９万方数据壁经堕銮逛鲤ＶＲＥＦ的抗噪声要求。由上述可见，ＰＩＣｌ６Ｃ６２×系列单片机的内部基准源实际是一个可设定为两个段值的４ｂｉｔＤ／Ａ转换器，每个段二进制码值均为０～１５，两个段的分辨单元不一样。为了设计一个８ｂｉｔ及小上的Ｄ／Ａ转换器，需将ＶＲＥＦ的范围进行扩展。使用ＶＲＥＦＨ值，即ＶＲＥＦＨ＝ＶＤＤ“～２３＋ｖＤｎ，３２，扩展为ＶＲＥＦ｝Ｉ＝（ＶＤｄ４－ＶＤＤ／３２）～２３＋ＶＤＤ，３２，向电压低端扩展一个分辨单元值ＶＤＤ／３２，相当于二进制码值ＶＲＨ＝０～１５扩￥曲一ｌ～１５。这ｇ蜜观８ｂｉｔ及以上Ｄ，Ａ轲知够∈隐ＶＲＨ＝一１是一个特殊条件，超出了ＶＲＥＦＦ汉值范围对应的二进制码值ＶＲＨ的界限，须由低段基准电压ＶＲＥ凡与外围可编程固定衰减比的电阻网络实现。ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ的内部有一个场效应ＯＣ门（漏极开路门），将其接成图１所示的应用电路．当ＯＣ门ＧＫ导通时，衰减系数Ｋ＝ＲＩ／（Ｒｏ＋Ｒ１），Ｒｏ＝２ｋＯ（内部固定电阻）。当ＯＣ门ＧＫ截止时．衰减系数Ｋ＝Ｉ（ＲＡ４引脚为高阻）。场效应ＯＣ门通过编程对ＲＡ４引脚进行Ｉ／Ｏ操作实现其导通与截止。由上所述，高段ＶＲＨ＝－１对应的ＶＲＥｒａ基准值可由低段二进制码值ＶＲＬ对应的Ｖｐ．ＥＦＬ值乘上系数Ｋ得到。ＶＲＨ一１时．ｖＲＥＦ｜Ｉ＝ｖＤ∥一ＶＤＤ／３２＝７ｖＤＤ，３２，盔撕下方程式７ＶＤＤ／３２＝（Ｖｄ２４）＋ＶＲＬ蠼（１）ＶＲＬ－１～１５（取整数）（２）Ｋ＜１（３）可得ＶＲＬ＝６～１５的多组解，取其中任ｔ目解均可，侈蜘：ＶＲＬ＝７，Ｋ＝０７５。系数Ｋ由外接电阻Ｒ１的取值决定．编程时。首先确定ＶＲＬ值，然后根据式（１）计算出系数Ｋ。再根据Ｋ＝ＲＩ／（Ｒｏ＋Ｒ１）、Ｒｏ＝２ｋｔ＇ｌ计算出Ｒ１的阻值。Ｒ１也可用一只电位器调整的方式代替。２．２编程４ｂｉｔＰＷＭ实现８ｂｉｔ的Ｄ／Ａ转换设８ｂｉｔ待Ｄ／Ａ转换的二进制数存放于ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ的数据存储器的某一单元，定义为如下格式：ＶＲ３ＶＲ２ｖＲｌＶＲ０Ｖｐ３Ｖｐ２ＶｐｌＶｐｏ将其分为两个４ｂｉｔ的ｊ揣耦：ＶＲ＝ＶＲ３ＶＲ２ｖＲｌｖＲｏ，ｖＰ４０ＥｌＣＶ０１．１０２００３ＮＯ．３仪器仪表用户＝ＶＰ３ＶＰ２ｖｐｉＶｐｏ。ＶＲ控制基准电压源实现４ｂｉｔＤ／Ａ转换，Ｖｐ用于对基准源的输出电压进行４ｂｉｔＰＷＭ（脉宽调制）。ＰＷＭ的高电平为ＶＲ对应的ＶＲＥＦ电压值，ＰＷＭ的低电平为ＶＲ＿１对应的ＶＲＥＦ电压值。如此，以４ｂｉｔＤ／Ａ转换基准电压源的两个相邻二进制码对应的两个ＶＲＥＦ值，分别作为４ｂｉｔＰＷＭ的高电平和低电平，这就组成—个８ｂｉｔ的Ｄ／Ａ转换器。图２、图３为常规ＰＷＭ与Ｄ／Ａ＋ＰＷＭ的区别，常规ＰＷＭ的高电平为ＶＤＤ（如５Ｖ），低电平为０Ｖ，其原理众所皆知．此处不再详细叙述。舢二：：Ｄ驯二＝篡固２常规ＰＷＭ围３Ｄ／Ａ＋ＰＷＭ本文所述的Ｄ／Ａ＋ＰＷＭ其ＰＷＭ的工作原理与常规ＰＷＭ的工作原理一样。只是ＰＷＭ脉冲的高电平与低电平分别由ＶＲ与ＶＲ－ｌ的值决定．编程时，首先将待Ｄ／Ａ转换的８ｂｉｔ＝进制数分成高４位与低４位，低４位存放于ＰｌＣｌ６Ｃ６２×的某一数据存储器Ｒ０中，高４位作４次右移（移到字节低蛸）存放于ＰＩＣｌ６Ｃ６２×的另一个数据存贮器ＲＩ中．利用ＰＩＣＩＯＣ６４Ｘ的一个定时器中断编写ＰＷＭ程序，ＰＷＭ的占空比由Ｒ０中的值（即ｖＰ值）决定．将定时器中断设置为最高优先级别，以保证ＰＷＭ的占空比精度．此段程序的实质是：在由二进制码ｖｒｃｔ定占空比的ＰＷＭ程序中对ＶＲＣＯＮ控制寄存器进行赋值操作．ＰＷＭ脉冲的高电平由向ＶＲＣＯＮ控制寄存器低４位装入ＶＲ产生，ＰＷＭ脉冲的低电平由向ＶＲＣＯＮ控制寄存器低４位装入ＶＲ．１产生。程序中需判断：当ＶＲｎ＝０时，ＶＲ．１对应的ＶＲＥＦ由前所述的％ｎ低段值实现．Ｖ０１ｒｒ即为８ｂｉｔ的Ｄ／Ａ输出．ＰＷＭ的滤波电路由Ｒｏ、Ｒ２、ｃ】组成，其时间常数根据ＰＷＭ的周期选定，与具体应用中对Ｄ／Ａ转换要求的速度和编程有关．由于ＰＩＣｌ６Ｃ６２×的高速ＲＩＳＣ精简指令．Ｄ／Ａ转换速度可达到４００ｋｂｉｔ／ｓ以上．ＶＤＤ的温漂要求尽量小。ＶｏＵＴ可根据需要进行放大或电平变换．３ＮＤ转换器如图１所示，把前述Ｄ，Ａ转换输出的Ｖｏｍ模拟信号接到ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ内部的—个比较器的同相端，待转换模拟信号接到比较器的反相端，这就构成一个典型的逐次逼近型Ａ／Ｄ转换器。其原理在许多教科书里讲得非常清楚，本文不再详述．由于ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ具有比较器中断功能。充分利用比较器中断可提高编程效率及提高ＡＩＤ转换速度。定义一个欢迎光临本刊网站ｈｔｔｐＪｌｗｗｗ．ｅｉｃ．ｃｏｍ．ｃｎ万方数据仪器仪表用户ＰＩＣ１６Ｃ６２×的数据存储器单元作为Ａ／Ｄ转换结果数据寄存器，启动Ａ／Ｄ转换之前在此寄存器内预置一个经验数据，采用前述Ｄ／Ａ转换的方法将此数据转换成ＶｏｕＴ电平，ＶｏｕＴ电平与待转换模拟信号电平进行比较。比较器的同相端电平高于反相端电平时，比较器输出逻辑“１”，并产生一次中断。比较器的同相端电平低于反相端电平时，比较器输出逻辑“０”，也产生一次中断．比较器输出逻辑状态“１”或“０”可从其特殊功能寄存器的相关位查询获取。在比较器中断程序中，根据查询结果逐次修改“ＡＩＤ转换结果数据寄存器”中的数据，使ｙｏｕＴ电平逐次逼近并最终收敛于待转换模拟信号电平，收敛时数据寄存器中的值即为ＡＩＤ转换结果。收敛算法的优劣是提高Ａ／Ｄ转换速度的关键，这与具体应用场合及外围电路参数相关．不过，大多数家电产品应用中被转换的模拟信号为低速缓慢变化信号，对ＡＩＤ鲤墅墅鍪逛鲤转换速度的要求并不高。因此，对收敛算法的要求不高，通常采用从ＭＳＢ至ＬＳＢ逐次进行比较的算法。另外，待转换模拟信号须经过电平变换，使其变化范围与ＶｏｕＴ电平的变化范围相～致。４小结ＰＩＣｌ６Ｃ６２×系列单片机内部有两个独立的模拟比较器，并且其数字Ｉ／Ｏ口具备直接驱动发Ｙｔ－７－极管与ＬＥＤ数码管的能力．采用本文所述的ＡＩＤ、Ｄ／Ａ转换器原理的应用电路只占用其内部一个模拟比较器、一个基准源、４个引脚的资源，外围电路也很简单，应用系统容易做到体积小、可靠性高、性价比好．缺点是Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ的转换速度较慢并占用单片机的大量时间资源，适合于低速变化的信号应用。ｅＤｅｓｉｇｎＡ／ＤａｎｄＤ／ＡＣｏｎｖｅｒｔｏｒｗｉｔｈＳＣＭＨｕＬｉａｎｚｈｕＭｅｎｇＦａｎｗｅｎＬｉｕＪｉｘｉｕ（ＪｉｎｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎｉｎｇ２７２０３７）【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａ／ＤｃｏｎｖｅｒｔｏｒａｎｄＤ／ＡｃｏｎｖｅｒｔｏｒａｒｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎｓｏｍｅＳＣＭ，ｗｈｉｃｈｅｘｐａｎｄｓｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄａｐｐｌｉａｎｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔＢｕｔｔｈｂｋｉｎｄｏｆＳＣＭｈａｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｉｇｈｐｒｉｃｅ．１０ｗｕｔｉｌｉｚａｔｍｎ．ＴｈｅａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａＡ／ＤａｎｄＤ／ＡｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｈａｔｈａｓｐｒｉｃｅａｄｖａｎｔａｇｅｉｎａｐｐｌｉａｎｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｂｙｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘＳＣＭ．【ＫｅｙＷｏｒｄｓ】ＰＷＭ，Ｒｅｓｏｌｖｉｎｇｒａｔｉｏ，Ａｐｐｒｏａｃｈｂｙｉｎｃｈｍｅａｌ．Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｒａｐｅｚｉｕｍｎｅｔｗｏｒｋ【作者简介】胡连柱，山东济宁人，生千１９６１年．济宁职业技术学院机电系讲师。主要从事家用电器原理与维怔。电工电子教学、实验实ＶⅡ和科研工作。已经公开发表论文多篇．通讯地址：济宁职业技术学院机电系实验室（前删）电话：０５３％２１７１４９３Ｅ・ｍａｉｌ：ｈｕｌｉａｎｚｈｕ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ【收稿日期】２００３－０２－２４Ｅ－ｍａｌｌ来稿瞄富圃本刊对来稿格式的要求１）本飘刚聿帆求符台以下基车挂桨黼和■序：ｉ越瞌号：１６７１・１０４ｌ（２∞３）ｘｘ・ＸｘＸＸ．ＸＸ。【由本刊９Ｉ写）立章题名《中文）作者姓名（－｝１文）所在单位，城市名．黼（中文）【摘要】（ｔｆ｜史）【＊健词】（巾史）－Ｉ，囝分娄号：ｋ义献标识码：以下是文稿正文．章节腰序．注意：不用～．，二，三．的章节格式）ｆｘｘｘｘｘｘｘｘｌＩｘｘＸＸＸｘｌ２ｘｘｘｘｘｘｔＩ）ＸＸＸＸＸ（２）ＸＸＸＸＸＸＸ２ＸＸＸＸＸＸＸ５结束语叁考义献（捧刊■忤）Ｉ作者姓名书名ｋ出版地：出版杜名．出鳆年份２作者姓名文船名报刊名称，卷号，年份（期号）贾码文章■名（英戈）作女姓ｇ（英文）所在单位．ｊＩ市名．●Ｅ壤ｔ英文）Ｉ捕要】（英文）【关键目】（觳）【作者筒介ｌ（巾立，叠求写明作者的通情地址．靠蝙．电话和电子邮件地址）【作者声舶】自五将车文幡—捕为仪静仪表用户杂卷蚤嘲学基金（不捐者可不写此项）【投稿日期ｌ２００Ｂ－ＸＸ－ＸＸＥ－ｍ＝ｉｌ投稿（句稿件囊用ＷＯＲＤ格式．■拦＿ｌ，秘用飘栏腻．斛作为附件阽—Ｅ发辜．（却电子■件的。