用單片機(jī)設(shè)計A-D、D-A轉(zhuǎn)換器-圖文

儀器儀表用戶文章編號：１６７１－１０４１（２００３）０３－００３９?０３用單片機(jī)設(shè)計ＡＩＤ、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器胡連柱孟凡文劉繼修（濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院濟(jì)寧市２＇７２０３７）鯉堡墅鑾遮鯉【摘要】某些單片機(jī)內(nèi)郝巳經(jīng)集成了Ａ／Ｄ．Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器，使其在工控行業(yè)、儀器儀表．家電產(chǎn)品的應(yīng)用與日俱增．但是，這類單片機(jī)還存在價格偏高、引腳利用辜較低的問焉．介紹一種ｔ生ｆｉ＇ｒｌ七高，在家電產(chǎn)品應(yīng)用中具有價格競爭優(yōu)勢的利用ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ系列單片機(jī)的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換技術(shù)．【關(guān)鍵詞】ＰＷＭ，分辨率．逐次遺近．電阻梯形網(wǎng)絡(luò)中圖分類號：ＴＰ３６１．８文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ｂ１ＰＩＣｌ６Ｃ６２×系列單片機(jī)的特點ＰＩＣｌ６Ｃ６２×系列為ＲＩＳＣ精簡指令、哈佛結(jié)構(gòu)總線、１８個引腳的單片機(jī)，具有低功耗、高性能、全靜態(tài)，３５條指令極易編程的特點．ＯＴＰ片種的性價比極高，除Ｔ具備一般單片機(jī)的特點外，ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ系列內(nèi)部集成了兩個模擬比較器和一個４ｂｉｔ的可編程基準(zhǔn)電Ｊ｛主源（ＶＲＥＦ）．如果利用該單片機(jī)的這些特點，只需幾個外圍ＲＣ元件就具備ＡＩＤ與Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換功能，且分辨率達(dá)到８ｂ“～ｌ（弛ｉｔ，價格上的優(yōu)勢使其在工控行業(yè)、儀器儀表，家電產(chǎn)品的應(yīng)用前景極為樂觀．本文以８ｂｉｔ分辨率論證Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法，更高分辨率的方案完全相似，只是在編程上作小部分調(diào)整．２Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器ＰＩＣＩＯＣ６２ｘ系列單片機(jī)內(nèi)部部分功能模塊及Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ的電路如圖１所示。２．１利用內(nèi)部基準(zhǔn)源ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ系列單片機(jī)內(nèi)部基準(zhǔn)源由一１６個抽頭的電阻梯形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，相當(dāng)于一個４ｂｉｔ分辨率的ＤＪＡ轉(zhuǎn)換器．該基準(zhǔn)源由ＶＲＣＯＮ特殊功能寄存器控制。ＶＲＣＯＮ歡迎訂閱歡迎撰稿歡迎發(fā)布產(chǎn)品廣告俘患寄存器定義如下：ＶＲＥＮＶＲＯＥＶｐ．Ｒ％ＶＲ２＇ＶＲＩＶＲ０ｖＲ剛：ＶＲ菇準(zhǔn)電壓澡使胄ｂ位。當(dāng)ＶＲＢＮ＝１時，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源使艙．ＶＲｏＥ：ＶＲＢ瑚出選擇位，ＶＲＯＥ＝Ｉ時。Ｖ耐出至ＲＡ２引腳．Ｖｎ：ｖｌｑ艘迷擇，ＶⅡＦ值可編程設(shè)定為高低兩個段輸出．ＶＲ３～ＶＲｏ：４ｂｉｔＶＲ耶電壓值．改變該４位的值即改變了ＶＲＥＦ的電壓值．為了后文說明的需要，將該４位二進(jìn)制碼作如下定義：ＶＲ＝咯３％嗉Ｊ咚目｝量－＝｝白｝玉略ｌＶＲ０＂１根據(jù)ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ的特性：（１）當(dāng)ＶⅡ＝１時。低段基準(zhǔn)電壓輸出ＶＲＥＦＬ＝ＶＤＤ＋Ｖｐ．Ｌ／２４，分辨單元ＶＦＩ－ＶＤＤ，２４．ＶＲＥＦＬ電壓值范圍為：ＶＲＬ＋ＶＤＤ／２４，ＶＲＬ＝０～１５，表示相應(yīng)的低段二進(jìn)制碼值．（２）ＶＲＲ＝０時，ＶＲＥＦＨ＝ＶＤＤ／４＋ＶＤＤ岬ＲＨ，３２，刪彈元Ｖ薩ＶＤＤ，３２．Ｖ曠ｏ～ｌｓ，ＶＲ贏示相應(yīng)的高段二進(jìn)制碼值。ＶＲＥＦＨ電壓值變化范圍為：ＶＤＤ／４～２３＋ＶＤＤ／３２．上述ＶＤＤ為ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ的供電電壓，只要在該供電端加—個簡單的ＵＣ電源去耦電路，就能很好的保證基準(zhǔn)電壓ＥＩＣＶ０１．１０２００３Ｎｏ．３３９萬方數(shù)據(jù)壁經(jīng)墮鑾逛鯉ＶＲＥＦ的抗噪聲要求。由上述可見，ＰＩＣｌ６Ｃ６２×系列單片機(jī)的內(nèi)部基準(zhǔn)源實際是一個可設(shè)定為兩個段值的４ｂｉｔＤ／Ａ轉(zhuǎn)換器，每個段二進(jìn)制碼值均為０～１５，兩個段的分辨單元不一樣。為了設(shè)計一個８ｂｉｔ及小上的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器，需將ＶＲＥＦ的范圍進(jìn)行擴(kuò)展。使用ＶＲＥＦＨ值，即ＶＲＥＦＨ＝ＶＤＤ“～２３＋ｖＤｎ，３２，擴(kuò)展為ＶＲＥＦ｝Ｉ＝（ＶＤｄ４－ＶＤＤ／３２）～２３＋ＶＤＤ，３２，向電壓低端擴(kuò)展一個分辨單元值ＶＤＤ／３２，相當(dāng)于二進(jìn)制碼值ＶＲＨ＝０～１５擴(kuò)￥曲一ｌ～１５。這ｇ蜜觀８ｂｉｔ及以上Ｄ，Ａ軻知夠∈隱ＶＲＨ＝一１是一個特殊條件，超出了ＶＲＥＦＦ漢值范圍對應(yīng)的二進(jìn)制碼值ＶＲＨ的界限，須由低段基準(zhǔn)電壓ＶＲＥ凡與外圍可編程固定衰減比的電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ的內(nèi)部有一個場效應(yīng)ＯＣ門（漏極開路門），將其接成圖１所示的應(yīng)用電路．當(dāng)ＯＣ門ＧＫ導(dǎo)通時，衰減系數(shù)Ｋ＝ＲＩ／（Ｒｏ＋Ｒ１），Ｒｏ＝２ｋＯ（內(nèi)部固定電阻）。當(dāng)ＯＣ門ＧＫ截止時．衰減系數(shù)Ｋ＝Ｉ（ＲＡ４引腳為高阻）。場效應(yīng)ＯＣ門通過編程對ＲＡ４引腳進(jìn)行Ｉ／Ｏ操作實現(xiàn)其導(dǎo)通與截止。由上所述，高段ＶＲＨ＝－１對應(yīng)的ＶＲＥｒａ基準(zhǔn)值可由低段二進(jìn)制碼值ＶＲＬ對應(yīng)的Ｖｐ．ＥＦＬ值乘上系數(shù)Ｋ得到。ＶＲＨ一１時．ｖＲＥＦ｜Ｉ＝ｖＤ∥一ＶＤＤ／３２＝７ｖＤＤ，３２，盔撕下方程式７ＶＤＤ／３２＝（Ｖｄ２４）＋ＶＲＬ蠼（１）ＶＲＬ－１～１５（取整數(shù)）（２）Ｋ＜１（３）可得ＶＲＬ＝６～１５的多組解，取其中任ｔ目解均可，侈蜘：ＶＲＬ＝７，Ｋ＝０７５。系數(shù)Ｋ由外接電阻Ｒ１的取值決定．編程時。首先確定ＶＲＬ值，然后根據(jù)式（１）計算出系數(shù)Ｋ。再根據(jù)Ｋ＝ＲＩ／（Ｒｏ＋Ｒ１）、Ｒｏ＝２ｋｔ＇ｌ計算出Ｒ１的阻值。Ｒ１也可用一只電位器調(diào)整的方式代替。２．２編程４ｂｉｔＰＷＭ實現(xiàn)８ｂｉｔ的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換設(shè)８ｂｉｔ待Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)存放于ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ的數(shù)據(jù)存儲器的某一單元，定義為如下格式：ＶＲ３ＶＲ２ｖＲｌＶＲ０Ｖｐ３Ｖｐ２ＶｐｌＶｐｏ將其分為兩個４ｂｉｔ的ｊ揣耦：ＶＲ＝ＶＲ３ＶＲ２ｖＲｌｖＲｏ，ｖＰ４０ＥｌＣＶ０１．１０２００３ＮＯ．３儀器儀表用戶＝ＶＰ３ＶＰ２ｖｐｉＶｐｏ。ＶＲ控制基準(zhǔn)電壓源實現(xiàn)４ｂｉｔＤ／Ａ轉(zhuǎn)換，Ｖｐ用于對基準(zhǔn)源的輸出電壓進(jìn)行４ｂｉｔＰＷＭ（脈寬調(diào)制）。ＰＷＭ的高電平為ＶＲ對應(yīng)的ＶＲＥＦ電壓值，ＰＷＭ的低電平為ＶＲ＿１對應(yīng)的ＶＲＥＦ電壓值。如此，以４ｂｉｔＤ／Ａ轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓源的兩個相鄰二進(jìn)制碼對應(yīng)的兩個ＶＲＥＦ值，分別作為４ｂｉｔＰＷＭ的高電平和低電平，這就組成—個８ｂｉｔ的Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器。圖２、圖３為常規(guī)ＰＷＭ與Ｄ／Ａ＋ＰＷＭ的區(qū)別，常規(guī)ＰＷＭ的高電平為ＶＤＤ（如５Ｖ），低電平為０Ｖ，其原理眾所皆知．此處不再詳細(xì)敘述。舢二：：Ｄ馴二＝篡固２常規(guī)ＰＷＭ圍３Ｄ／Ａ＋ＰＷＭ本文所述的Ｄ／Ａ＋ＰＷＭ其ＰＷＭ的工作原理與常規(guī)ＰＷＭ的工作原理一樣。只是ＰＷＭ脈沖的高電平與低電平分別由ＶＲ與ＶＲ－ｌ的值決定．編程時，首先將待Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換的８ｂｉｔ＝進(jìn)制數(shù)分成高４位與低４位，低４位存放于ＰｌＣｌ６Ｃ６２×的某一數(shù)據(jù)存儲器Ｒ０中，高４位作４次右移（移到字節(jié)低蛸）存放于ＰＩＣｌ６Ｃ６２×的另一個數(shù)據(jù)存貯器ＲＩ中．利用ＰＩＣＩＯＣ６４Ｘ的一個定時器中斷編寫ＰＷＭ程序，ＰＷＭ的占空比由Ｒ０中的值（即ｖＰ值）決定．將定時器中斷設(shè)置為最高優(yōu)先級別，以保證ＰＷＭ的占空比精度．此段程序的實質(zhì)是：在由二進(jìn)制碼ｖｒｃｔ定占空比的ＰＷＭ程序中對ＶＲＣＯＮ控制寄存器進(jìn)行賦值操作．ＰＷＭ脈沖的高電平由向ＶＲＣＯＮ控制寄存器低４位裝入ＶＲ產(chǎn)生，ＰＷＭ脈沖的低電平由向ＶＲＣＯＮ控制寄存器低４位裝入ＶＲ．１產(chǎn)生。程序中需判斷：當(dāng)ＶＲｎ＝０時，ＶＲ．１對應(yīng)的ＶＲＥＦ由前所述的％ｎ低段值實現(xiàn)．Ｖ０１ｒｒ即為８ｂｉｔ的Ｄ／Ａ輸出．ＰＷＭ的濾波電路由Ｒｏ、Ｒ２、ｃ】組成，其時間常數(shù)根據(jù)ＰＷＭ的周期選定，與具體應(yīng)用中對Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換要求的速度和編程有關(guān)．由于ＰＩＣｌ６Ｃ６２×的高速ＲＩＳＣ精簡指令．Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到４００ｋｂｉｔ／ｓ以上．ＶＤＤ的溫漂要求盡量小。ＶｏＵＴ可根據(jù)需要進(jìn)行放大或電平變換．３ＮＤ轉(zhuǎn)換器如圖１所示，把前述Ｄ，Ａ轉(zhuǎn)換輸出的Ｖｏｍ模擬信號接到ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ內(nèi)部的—個比較器的同相端，待轉(zhuǎn)換模擬信號接到比較器的反相端，這就構(gòu)成一個典型的逐次逼近型Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器。其原理在許多教科書里講得非常清楚，本文不再詳述．由于ＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘ具有比較器中斷功能。充分利用比較器中斷可提高編程效率及提高ＡＩＤ轉(zhuǎn)換速度。定義一個歡迎光臨本刊網(wǎng)站ｈｔｔｐＪｌｗｗｗ．ｅｉｃ．ｃｏｍ．ｃｎ萬方數(shù)據(jù)儀器儀表用戶ＰＩＣ１６Ｃ６２×的數(shù)據(jù)存儲器單元作為Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)寄存器，啟動Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換之前在此寄存器內(nèi)預(yù)置一個經(jīng)驗數(shù)據(jù)，采用前述Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換的方法將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ＶｏｕＴ電平，ＶｏｕＴ電平與待轉(zhuǎn)換模擬信號電平進(jìn)行比較。比較器的同相端電平高于反相端電平時，比較器輸出邏輯“１”，并產(chǎn)生一次中斷。比較器的同相端電平低于反相端電平時，比較器輸出邏輯“０”，也產(chǎn)生一次中斷．比較器輸出邏輯狀態(tài)“１”或“０”可從其特殊功能寄存器的相關(guān)位查詢獲取。在比較器中斷程序中，根據(jù)查詢結(jié)果逐次修改“ＡＩＤ轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)寄存器”中的數(shù)據(jù)，使ｙｏｕＴ電平逐次逼近并最終收斂于待轉(zhuǎn)換模擬信號電平，收斂時數(shù)據(jù)寄存器中的值即為ＡＩＤ轉(zhuǎn)換結(jié)果。收斂算法的優(yōu)劣是提高Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換速度的關(guān)鍵，這與具體應(yīng)用場合及外圍電路參數(shù)相關(guān)．不過，大多數(shù)家電產(chǎn)品應(yīng)用中被轉(zhuǎn)換的模擬信號為低速緩慢變化信號，對ＡＩＤ鯉墅墅鍪逛鯉轉(zhuǎn)換速度的要求并不高。因此，對收斂算法的要求不高，通常采用從ＭＳＢ至ＬＳＢ逐次進(jìn)行比較的算法。另外，待轉(zhuǎn)換模擬信號須經(jīng)過電平變換，使其變化范圍與ＶｏｕＴ電平的變化范圍相～致。４小結(jié)ＰＩＣｌ６Ｃ６２×系列單片機(jī)內(nèi)部有兩個獨立的模擬比較器，并且其數(shù)字Ｉ／Ｏ口具備直接驅(qū)動發(fā)Ｙｔ－７－極管與ＬＥＤ數(shù)碼管的能力．采用本文所述的ＡＩＤ、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器原理的應(yīng)用電路只占用其內(nèi)部一個模擬比較器、一個基準(zhǔn)源、４個引腳的資源，外圍電路也很簡單，應(yīng)用系統(tǒng)容易做到體積小、可靠性高、性價比好．缺點是Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ的轉(zhuǎn)換速度較慢并占用單片機(jī)的大量時間資源，適合于低速變化的信號應(yīng)用。ｅＤｅｓｉｇｎＡ／ＤａｎｄＤ／ＡＣｏｎｖｅｒｔｏｒｗｉｔｈＳＣＭＨｕＬｉａｎｚｈｕＭｅｎｇＦａｎｗｅｎＬｉｕＪｉｘｉｕ（ＪｉｎｉｎｇＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎｉｎｇ２７２０３７）【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａ／ＤｃｏｎｖｅｒｔｏｒａｎｄＤ／ＡｃｏｎｖｅｒｔｏｒａｒｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｉｎｓｏｍｅＳＣＭ，ｗｈｉｃｈｅｘｐａｎｄｓｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄａｐｐｌｉａｎｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔＢｕｔｔｈｂｋｉｎｄｏｆＳＣＭｈａｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｉｇｈｐｒｉｃｅ．１０ｗｕｔｉｌｉｚａｔｍｎ．ＴｈｅａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａＡ／ＤａｎｄＤ／ＡｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｈａｔｈａｓｐｒｉｃｅａｄｖａｎｔａｇｅｉｎａｐｐｌｉａｎｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｂｙｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆＰＩＣｌ６Ｃ６２ｘＳＣＭ．【ＫｅｙＷｏｒｄｓ】ＰＷＭ，Ｒｅｓｏｌｖｉｎｇｒａｔｉｏ，Ａｐｐｒｏａｃｈｂｙｉｎｃｈｍｅａｌ．Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｒａｐｅｚｉｕｍｎｅｔｗｏｒｋ【作者簡介】胡連柱，山東濟(jì)寧人，生千１９６１年．濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系講師。主要從事家用電器原理與維怔。電工電子教學(xué)、實驗實ＶⅡ和科研工作。已經(jīng)公開發(fā)表論文多篇．通訊地址：濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系實驗室（前刪）電話：０５３％２１７１４９３Ｅ?ｍａｉｌ：ｈｕｌｉａｎｚｈｕ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ【收稿日期】２００３－０２－２４Ｅ－ｍａｌｌ來稿瞄富圃本刊對來稿格式的要求１）本飄剛聿帆求符臺以下基車掛槳黼和■序：ｉ越瞌號：１６７１?１０４ｌ（２∞３）ｘｘ?ＸｘＸＸ．ＸＸ?！居杀究梗蓪懀┝⒄骂}名《中文）作者姓名（－｝１文）所在單位，城市名．黼（中文）【摘要】（ｔｆ｜史）【＊健詞】（巾史）－Ｉ，囝分婁號：ｋ義獻(xiàn)標(biāo)識碼：以下是文稿正文．章節(jié)腰序．注意：不用～．，二，三．的章節(jié)格式）ｆｘｘｘｘｘｘｘｘｌＩｘｘＸＸＸｘｌ２ｘｘｘｘｘｘｔＩ）ＸＸＸＸＸ（２）ＸＸＸＸＸＸＸ２ＸＸＸＸＸＸＸ５結(jié)束語叁考義獻(xiàn)（捧刊■忤）Ｉ作者姓名書名ｋ出版地：出版杜名．出鰒年份２作者姓名文船名報刊名稱，卷號，年份（期號）賈碼文章■名（英戈）作女姓ｇ（英文）所在單位．ｊＩ市名．●Ｅ壤ｔ英文）Ｉ捕要】（英文）【關(guān)鍵目】（觳）【作者筒介ｌ（巾立，疊求寫明作者的通情地址．靠蝙．電話和電子郵件地址）【作者聲舶】自五將車文幡—捕為儀靜儀表用戶雜卷蚤嘲學(xué)基金（不捐者可不寫此項）【投稿日期ｌ２００Ｂ－ＸＸ－ＸＸＥ－ｍ＝ｉｌ投稿（句稿件囊用ＷＯＲＤ格式．■攔＿ｌ，秘用飄欄膩．斛作為附件阽—Ｅ發(fā)辜．（卻電子■件的。