用普通單片機實現(xiàn)低成本高精度AD與DA轉(zhuǎn)換

1、用普通單片機實現(xiàn)低成本高精度A/D與D/A轉(zhuǎn)換(之一)摘要：用普通單片機實現(xiàn)低成本的多路A/D與D/A轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換結(jié)果為8bit或更高。關(guān)鍵詞：單片機A/D轉(zhuǎn)換 D/A轉(zhuǎn)換 PWM (脈沖寬度調(diào)制)比較器目前單片機在電子產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用，許多類型的單片機內(nèi)部已帶有A/D轉(zhuǎn)換電路，但此類單片機會比無A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機在價格上高幾元甚至很多，本文給大家提供一種實用的用普通單片機實現(xiàn)的 A/D轉(zhuǎn)換電路，它只需要使用普通單片機的2個I/O腳與1個運算放大器即可實現(xiàn)，而且它可以很容易地擴展成帶有4通道A/D轉(zhuǎn)換功能，由于它占用資源很少，成本很低，其 A/D轉(zhuǎn)換精度可達(dá)到8位或更高，因此很具有實用

2、價值。其電路如圖一所示：DLpwm 波形 JUWUL模陽量輸入小 >單片機R 10k U1=5V+DH(D14D2)Cl500)(this.resized=true; this.width=500; this.alt='點擊 查看原 圖' this.style.cursor='hand'" onclick="if(!this.resized)(returntrue;elsewindow.open('border="0"width="500">圖一其工作原理說明如下：1、硬件說明：圖一

3、中“RA。和“RAT為單片機的兩個I/O腳，分別將其設(shè)置為輸出與輸入狀態(tài)，在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時，在程序中通過軟件產(chǎn)生 PWM ,由RA0腳送出預(yù)設(shè)占空比的 PWM波形。RA1腳用于 檢測比較器輸出端的狀態(tài)。R1、C1構(gòu)成濾波電路，對RA0腳送出的PWM波形進(jìn)行平滑濾波。 RA0輸出的PWM波形經(jīng)過 R1、C1濾波并延時后，在U1點產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓值，其電壓值 U1=VDD*D1/ (D1+D2 ),若單 片機的工作電壓為穩(wěn)定的 +5V,則U1=5V*D1/ (D1+D2 )。圖一中的LM324作為比較器使用，其輸入負(fù)端的U1電壓與輸入正端的模擬量電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)U1大于模擬量輸入電壓時，比較

4、器的輸出端為低電平，反之為高電平。2、A/D轉(zhuǎn)換過程：如果使RA0輸出PWM波形，其占空比由小到大逐漸變化，則U1的電壓會由小到大逐漸變化，當(dāng)U1電壓超過被測電壓時，比較器的輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，因此可以認(rèn)為在該變化 的瞬間被測的模擬量與 U1的電壓相等。由于U1的電壓值=VDD*D1/ (D1+D2 )，當(dāng)VDD固定時，其電壓值取決于 PWM波形的占空比， 而PWM的占空比由單片機軟件內(nèi)部用于控制PWM輸出的寄存器值決定，若軟件中用1個8位寄存器A來存放RA0輸出的PWM的占空比值D1 ,因此在RA1檢測到由“1變?yōu)椤?的瞬間， A寄存 器的值D1即為被測電壓的A/D轉(zhuǎn)換值，其A/D轉(zhuǎn)換

5、結(jié)果為8位。如果用16位寄存器來 作輸出PWM的占空比，則A/D轉(zhuǎn)換值可達(dá)到16位。3、A/D轉(zhuǎn)換誤差分析及解決辦法：A/D轉(zhuǎn)換的誤差主要由以下幾個方面決定，分別說明如下：(1) 單片機的電源電壓 VDD :在該A/D轉(zhuǎn)換中，VDD電壓是造成A/D轉(zhuǎn)換誤差的主要原因， 如果使VDD電壓精度做到較高，貝U A/D轉(zhuǎn)換誤差可以做到很小，在 VDD電壓精度為0.5%情 況下，實際的A/D轉(zhuǎn)換誤差小于1%。(2) 軟件產(chǎn)生的PWM占空比：若用于產(chǎn)生 PWM的軟件設(shè)計不良，會使存放占空比的寄存 器值與實際輸出的PWM占空比不一致，這會導(dǎo)致測量誤差。(3) 比較器輸入端的失調(diào)電壓：該電壓對A/D轉(zhuǎn)換精度有

6、一定影響，但影響較小。(4) RC濾波電路的紋波：在 R1、C1取值不當(dāng)?shù)那闆r下，U1處的電壓紋波較大，并且延時 時間不夠，會使A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生誤差，因此 R1、C1取 值不能太小，但太大又會影響 A/D轉(zhuǎn)換 速度，推薦使用圖一中所示的R1、C1參數(shù)，在紋波合理的情況下，其轉(zhuǎn)換誤差也可通過軟件消除。A/D轉(zhuǎn)換誤差的解決辦法：(1) 對VDD造成的誤差，只能通過提高 VDD電壓精度來解決，它相當(dāng)于 A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電 壓。(2) 對于軟件中PWM設(shè)計不良導(dǎo)致的誤差， 可修改軟件進(jìn)行解決，本文提供了用軟件產(chǎn)生 PWM的程序流程圖，實際使用中可按此流程設(shè)計程序。(3) 對比較器及RC濾波電路的紋波導(dǎo)致

7、的誤差，在軟件中可通過上、下檢測法進(jìn)行消除，即先將PWM的占空比由小到大變化，使 U1電壓由低往高逐 漸變化，在比較器輸出端變化 時記錄其A/D轉(zhuǎn)換值，再將PWM的占空比由大到小變化，使 U1電壓由高到低變化，在比較 器輸出端變化時記錄其 A/D轉(zhuǎn)換值，將兩次的A/D轉(zhuǎn)換值進(jìn)行平均，可有效地消除這兩種誤 差。(4) 對A/D轉(zhuǎn)換值進(jìn)行數(shù)字濾波，如多次轉(zhuǎn)換求平均值等。數(shù)字濾波消除誤差的方法很多， 在此不再贅述。4、A/D轉(zhuǎn)換速度及提高辦法：由于該A/D轉(zhuǎn)換是通過PWM濾波后再進(jìn)行比較來完成的，其 PWM的產(chǎn)生與濾波都需要一定 的時間，因此其A/D轉(zhuǎn)換速度較慢，適用于對 A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高的產(chǎn)

8、品中，其 A/D轉(zhuǎn)換 速度取決于以下幾個方面：(1) 單片機的運行速度：單片機的運行速度越高則PWM的頻率可以越高，RC值就可以取得越小，其延時時間也可以更短，轉(zhuǎn)換速度就更快。(2) 被測電壓值的大?。河捎?U1電壓時是由小到大逐漸加大的，當(dāng)被測電壓值較小時，U1電壓上升到相應(yīng)值的時間就越短，完成A/D轉(zhuǎn)換的速度就越快。(3) 初始占空比：初始占空比越高，U1電壓較大，其上升到被測電壓值的時間也就會越短， 完成A/D轉(zhuǎn)換的速度也就越快。由上所述，A/D轉(zhuǎn)換的速度可以通過提高單片機的工作頻率，并在預(yù)知被測電壓范圍時盡可 能地設(shè)置較高的初始占空比值來加快轉(zhuǎn)換速度，如果所要求的A/D轉(zhuǎn)換精度要求不高

9、，還可以在軟件中縮短PWM輸出的延時時間來提高 A/D轉(zhuǎn)換速度。若單片機帶有外部電平變換 中斷和定時器中斷，其 A/D轉(zhuǎn)換的精度 和速度還可以得到提高。5、輸入電壓的測量范圍：A/D轉(zhuǎn)換的輸入電壓測量范圍為 0V至單片機的電源電壓(VDD ),若需要提高被測電壓范圍， 可將輸入電壓通過電阻分壓后進(jìn)行測量，但其A/D轉(zhuǎn)換的誤差會受分壓電阻影響。6、A/D轉(zhuǎn)換通道的多路擴展：圖中所用的運算放大器為 LM324，該集成電路內(nèi)部帶有4個運放，其余3個運放的輸入端可分 別作為另外3個A/D轉(zhuǎn)換通道，其輸出端與單片機連接，在軟件上略作修改，就可以在不增 加成本的情況下實現(xiàn)4路A/D轉(zhuǎn)換。7、用同樣的工作原

10、理實現(xiàn) D/A轉(zhuǎn)換：如圖二所示，可使該電路很容易地只用單片機的一個I/O腳實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換功能。其輸出的模擬量電壓Vout=VDD*D1/ (D1+D2 )。該輸出電壓帶有紋波，當(dāng) RC值足夠大時，該紋波值幾 乎為零，可忽略不計。PWM波形JU1JUULCt1 LM324IV模報量輸出Vout-VDD*Dli1Dl+D2)單片機500)this.resized=true; this.width=500; this.alt='點擊 查看原 圖; this.style.cursor='hand"， onclick="if(!this.resized)returnt

11、rue;elsewindow.open(' border="0”>圖二8、單片機的A/D轉(zhuǎn)換軟件程序流程圖:500) (this.resized=true; this.width=500;this.alt='點擊查看原圖' this.style.cursor='hand'" onclick="if(!this.resized) (return true; else window.open(' border="0">用普通單片機實現(xiàn)低成本 A/D轉(zhuǎn)換(二)摘要：用普通單片機實現(xiàn)低成本的多

12、路A/D轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：單片機 A/D轉(zhuǎn)換 比較器 計時器在此前筆者曾介紹了普通單片機實現(xiàn)低成本A/D轉(zhuǎn)換的一種方法，在實際使用中還有其它的不少方法可以實現(xiàn)低成本 A/D轉(zhuǎn)換，在本文中我們繼續(xù)為電子設(shè)計者們提供又一種 A/D轉(zhuǎn)換方法，該方法同樣占用較少的單片機資源，成本也很低，仍然有很強的實用性，該電路曾在鋰離子電池充電器中作 A/D轉(zhuǎn)換使 用，效果良好。其電路如圖一所示：500) (this.resized=true; this.width=500; this.alt='點擊查看原圖' this.style.cursor='hand'" onclick

13、="if(!this.resized)(returntrue;elsewindow.open('border="0"width="500">圖一其工作原理說明如下：1、硬件電路說明：圖一中的R1和N1 (TL431 )產(chǎn)生一個2.495V的穩(wěn)定電壓，作為 A/D轉(zhuǎn)換比較基準(zhǔn)。R2、VI、 VD1、VD2和R3構(gòu)成一個恒流源電 路給C1充電，C1上的電壓與恒流源的電流大小及充電時 間成正比。MC74HC4051為8選1模擬開關(guān)，其輸入通道由單片機控制來選擇。LM393作為 比較器,當(dāng)C1上的電壓由低到高上升到超過模擬開關(guān)輸出電壓時，

14、其輸出端會從低電平轉(zhuǎn)變 為高電平?！癛A(L “RA1'和“RA2為單片機的3個I/O腳，RA0設(shè)置為輸入狀態(tài)，用于檢測 比較器輸出電平變化，RA1和RA2設(shè)置為輸出狀態(tài)， RA1輸出高電平時，V2導(dǎo)通，用于將C1上的電荷放空，RA2用于選擇模擬開關(guān)的輸入通道。2、A/D轉(zhuǎn)換過程：首先RA2輸出低電平，使模擬開關(guān)選擇X0 (基準(zhǔn)電壓)作為輸入，RA1輸出高電平，使 V2導(dǎo)通將C1上的電量放完，然后使RA1輸出低電平，使V2截止，此時C1上的電容開始被充電， 同時計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)C1上的電壓不斷上升，并達(dá)到比較器輸入負(fù)端的電壓(此時為基準(zhǔn)電壓Vref)時，比較器的輸出端由低電平轉(zhuǎn)為高電

15、平，此時記錄下計數(shù)器的計數(shù)值，為T1。 接著RA2輸出高電平，使模擬開關(guān)選擇X1 (被測電壓)作為輸入，RA1輸出高電平，使 V2導(dǎo)通將C1上的電量放完，然后使RA1輸出低電平， 使V2截止，此時C1上的電容又開始被充 電，同時計數(shù)器開始計數(shù)，當(dāng)C1上的電壓不斷上升，并達(dá)到比較器輸入負(fù)端的電壓(此時為基準(zhǔn)電壓)時，比較器的輸出端由低電平轉(zhuǎn)為高電平，此時記錄下計數(shù)器的計數(shù)值，為T2。由于C1是被恒流充電，因此 C1上的電壓與充電時間成正比，即 V=T*k。當(dāng)C1的容值與充電 的恒流值不變時，k是一個固定不變的常數(shù)。由此可以得到： Vref/T1=V1/T2 ，即 V1=Vref*T2/T1由于V

16、ref是基準(zhǔn)電壓（2.495V），因此只要利用單片機的定時器測出T1和T2,就可以計算出被測電壓V1的值。3、A/D轉(zhuǎn)換誤差分析及解決辦法：A/D轉(zhuǎn)換的誤差主要由以下幾個方面決定，分別說明如下：1、 基準(zhǔn)電壓Vref:在該A/D轉(zhuǎn)換中，Vref電壓是造成A/D轉(zhuǎn)換誤差的主要原因，如果使 Vref 電壓精度做到較高，則 A/D轉(zhuǎn)換誤差可以做到很小，在 Vref電壓精度為0.5%情況下，實際的 A/D轉(zhuǎn)換誤差小于1%。2、定時器誤差：若單片機對比較器輸出端的電位變化反應(yīng)慢，或定時器誤差較大，則測量 到的T1與T2值不準(zhǔn)，也會導(dǎo)致測量誤差。3、 比較器輸入端的失調(diào)電壓：該電壓對A/D轉(zhuǎn)換精度有一定影

17、響，但影響較小。4、運算誤差：由于 V1值要經(jīng)過乘除法運算后得到，在進(jìn)行運算過程中如果數(shù)據(jù)處理不當(dāng)， 如余數(shù)處理不當(dāng)，也會產(chǎn)生誤差。5、干擾誤差：當(dāng)輸入電壓不穩(wěn)時，恒流源的輸出電流會有一定的影響，會產(chǎn)生干擾誤差。A/D轉(zhuǎn)換誤差的解決辦法：1、 對Vref造成的誤差，只能通過提高 Vref電壓精度來解決，它相當(dāng)于 A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。2、 對于定時器誤差，在單片機中可使 RA0 口采用帶電平變化中斷功能的 I/O 口，以提高反應(yīng) 速度，同時減少恒流源的電流大小，或加大 C1電容容量，可以增加T1、T2的測量時間，使 計數(shù)值加大，達(dá)到提高 A/D轉(zhuǎn)換精度的目的。3、選用靈敏度高的比較器可解決比較

18、器輸入端導(dǎo)致的誤差問題。4、對運算誤差，可以通過軟件上的改進(jìn)來解決。5、對于干擾造成的誤差，可對 A/D轉(zhuǎn)換值進(jìn)行數(shù)字濾波，如多次轉(zhuǎn)換求平均值等方法來解 決。數(shù)字濾波消除誤差的方法很多，在此不再贅述。4、A/D轉(zhuǎn)換速度及提高辦法：由于該A/D轉(zhuǎn)換是通過恒流源對 C1電容充電后再進(jìn)行比較來完成的，C1電容的充電過程需要一定的時間，因此其A/D轉(zhuǎn)換速度較慢，適用于對A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高的產(chǎn)品中，其A/D轉(zhuǎn)換速度取決于以下幾個方面：1、 恒流源的電流大?。汉懔髟吹某潆婋娏髟酱螅珻1上的電壓上升速度就越快，到達(dá)被比較 電壓的時間也就更短，轉(zhuǎn)換速度就更快。2、C1電容的大?。浩涞览砼c前一點一樣，當(dāng)電容小時，電壓上升速度就越快，到達(dá)被比較電壓的時間也會越短，轉(zhuǎn)換速度就越快。 但由于計數(shù)值小，由定時器造成的測量誤差也有可能加大。3、 單片機的工作頻率：由于 A/D轉(zhuǎn)換值是經(jīng)過乘除運算后完成的，因此單片機的運算速度 也會對A/D轉(zhuǎn)換速度有影響，尤其當(dāng)計數(shù)器值為16位時。由上所述，A/D轉(zhuǎn)換的速度可以通過提高單片機的工作頻率，增大恒流源的輸出電流，減小C1電容容值來加快A/D轉(zhuǎn)換速度，但要注意當(dāng)T1、T2計數(shù)值太小時有可能使定時器因素造 成的誤差增大，因此在實際使