用單片機設(shè)計A/D、D/A轉(zhuǎn)換器

1、PIC16C62×;系列單片機的特點

       PIC16C62×系列為RISC精簡指令、哈佛結(jié)構(gòu)總線、18個引腳的單片機。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。除了具備一般單片機的特點外，PIC16C62×系列內(nèi)部集成了兩個模擬比較器和一個4bit的可編程基準電壓源（REF）。如果利用該單片機的這些特點，只需幾個外圍元件就具備A/D與D/A轉(zhuǎn)換功能，且分辨率達到8bit～10bit。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。 

2、D/A轉(zhuǎn)換器

       PIC16C62×系列單片機內(nèi)部部分功能模塊及A/D、D/A的電路如圖1所示。

           圖1 PIC16C62×部分功能模塊及轉(zhuǎn)換電路 

2.1 利用內(nèi)部基準源

       PIC16C62×系列單片機內(nèi)部基準源由一16個抽頭的電阻梯形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，相當于一個4bit 分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器，該基準源由VRCON特殊功能寄存器控制。VRCON寄存器定義如下：

       VREN：REF基準電壓源使能位，當VREN=1時，內(nèi)部基準電壓源使能。

       VROE：REF輸出選擇位，VROE=1時，REF輸出至RA2引腳。

       VRR：REF段選擇，REF值可編程設(shè)定為高低兩個段輸出。

       VR3~VR0：4bit REF電壓值。改變該4位的值即改變了REF的電壓值。為了后文說明的需要，將該4位二進制碼作如下定義：

       VR= VR3VR2VR1VR0

       VR-1=VR3VR2 VR1VR0－1

       根據(jù)PIC16C62×的特性：

      （1）當VRR=1時，低段基準電壓輸出REFL= DD*VRL/24，分辨單元VF1=DD/24。

REFL電壓值范圍為：VRL*DD/24，VRL= 0~15，表示相應(yīng)的低段二進制碼值。

      （2）當VRR=0時，高段基準電壓輸出REFH=DD/4+DD*VRH/32，分辨單元VF2=DD/32。VRH=0~15，VRH表示相應(yīng)的高段二進制碼值。

REFH電壓值變化范圍為：DD/4~23*DD/32。

       上述DD為PIC16C62×的供電電壓，只要在該供電端加一個簡單的電源去耦電路，就能很好的保證基準電壓REF的抗噪聲要求。

       由上述可見,PIC16C62×系列單片機的內(nèi)部基準源實際是一個可設(shè)定為兩個段值的4bit D/A轉(zhuǎn)換器,每個段二進制碼值均為0~15,兩個段的分辨單元不一樣。為了設(shè)計一個8bit及以上的D/A轉(zhuǎn)換器,需將REF的范圍進行擴展。使用REFH值，即REFH =DD/4~23*DD/32，擴展為REFH= (DD/4－DD /32) ~23*DD/32, 向電壓低端擴展一個分辨單元值DD /32,相當于二進制碼值VRH=0~15擴展為－1 ~15。這是實現(xiàn)8bit及以上D/A轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。VRH= －1是一個特殊條件,超出了REF取值范圍對應(yīng)的二進制碼值VRH的界限,須由低段基準電壓REFL與外圍可編程固定衰減比的電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。PIC16C62×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OC門GK導(dǎo)通時，衰減系數(shù)=1/（0+1） 0=2kΩ（內(nèi)部固定電阻）。

       當OC門GK截止時，衰減系數(shù)=1 (RA4引腳為高阻)。

       場效應(yīng)OC門通過編程對RA4引腳進行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REFH基準值可由低段二進制碼值VRL對應(yīng)的REFL值乘上系數(shù)得到。

       VRH=－1時，REFH=DD/4－DD/32=7DD /32，建立如下方程式

       7DD /32 =（DD/24）* VRL* （1）

       VRL=1~15 (取整數(shù)) （2）

       K <1 （3）

       可得VRL=6~15的多組解，取其中任一組解均可，例如：VRL=7，=0.75。

       系數(shù)由外接電阻1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)，再根據(jù)=1/（0+1）、0=2kΩ 計算出1的阻值。1也可用一只電位器調(diào)整的方式代替。

2.2 編程4bit PWM實現(xiàn)8bit的D/A轉(zhuǎn)換

       設(shè)8bit 待D/A轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)存放于PIC16C62×;的數(shù)據(jù)存儲器的某一單元，定義為如下格式：

       將其分為兩個4bit的二進制碼：VR=VR3VR2VR1 VR0，VP=VP3VP2VP1V P0。VR控制基準電壓源實現(xiàn)4bit D/A轉(zhuǎn)換，VP用于對基準源的輸出電壓進行4bit PWM（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4bit D/A轉(zhuǎn)換基準電壓源的兩個相鄰二進制碼對應(yīng)的兩個VREF值，分別作為4bit PWM的高電平和低電平，這就組成一個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，此處不再詳細敘述。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-1的值決定。編程時，首先將待D/A轉(zhuǎn)換的8bit二進制數(shù)分成高4位與低4位，低4位存放于PIC16C62×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)低端)存放于PIC16C62×的另一個數(shù)據(jù)存貯器R1中。利用PIC16C64×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：在由二進制碼VP決定占空比的PWM程序中對VRCON控制寄存器進行賦值操作。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VRH=0時，VR-1對應(yīng)的REF由前所述的REFL低段值實現(xiàn)。

       OUT即為8bit 的D/A輸出。PWM的濾波電路由0、2、1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PIC16C62×的高速RISC精簡指令，D/A轉(zhuǎn)換速度可達到400Kbit /s以上。DD的溫漂要求盡量小。OUT可根據(jù)需要進行放大或電平變換。

3   A/D轉(zhuǎn)換器

       如圖1所示，把前述D/A轉(zhuǎn)換輸出的OUT模擬信號接到PIC16C62×內(nèi)部的一個比較器的同相端，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PIC16C62×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A/D轉(zhuǎn)換速度。定義一個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OUT電平，OUT電平與待轉(zhuǎn)換模擬信號電平進行比較。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“A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)寄存器”中的數(shù)據(jù)，使OUT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A/D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A/D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OUT電平的變化范圍相一致。

4   小結(jié)

    PIC16C62×;系列單片機內(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)光二極管與LED數(shù)碼管的能力。采用本文所述的A/D、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的大量時間資源，適合于低速變化的信號應(yīng)用。

參 考 文 獻
1 MICROCHIP. PIC16C62× DATA SHEET. 1997. 10 ~ 22