用单片机设计A/D、D/A转换器

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
1、PIC16C62%26;#215;系列单片机的特点 PIC16C62%26;#215;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。除了具备一般单片机的特点外,PIC16C62%26;#215;系列内部集成了两个模拟比较器和一个4bit的可编程基准电压源(REF)。如果利用该单片机的这些特点,只需几个外围元件就具备A/D与D/A转换功能,且分辨率达到8bit~10bit。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。 2、D/A转换器   PIC16C62%26;#215;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。        图1 PIC16C62%26;#215;部分功能模块及转换电路 2.1 利用内部基准源   PIC16C62%26;#215;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D/A转换器,该基准源由VRCON特殊功能寄存器控制。VRCON寄存器定义如下:   VREN:REF基准电压源使能位,当VREN=1时,内部基准电压源使能。   VROE:REF输出选择位,VROE=1时,REF输出至RA2引脚。   VRR:REF段选择,REF值可编程设定为高低两个段输出。   VR3"VR0:4bit REF电压值。改变该4位的值即改变了REF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= VR3VR2VR1VR0   VR-1=VR3VR2 VR1VR0-1   根据PIC16C62%26;#215;的特性:   (1)当VRR=1时,低段基准电压输出REFL= DD*VRL/24,分辨单元VF1=DD/24。 REFL电压值范围为:VRL*DD/24,VRL= 0"15,表示相应的低段二进制码值。   (2)当VRR=0时,高段基准电压输出REFH=DD/4+DD*VRH/32,分辨单元VF2=DD/32。VRH=0"15,VRH表示相应的高段二进制码值。 REFH电压值变化范围为:DD/4"23*DD/32。   上述DD为PIC16C62%26;#215;的供电电压,只要在该供电端加一个简单的电源去耦电路,就能很好的保证基准电压REF的抗噪声要求。   由上述可见,PIC16C62%26;#215;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4bit D/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及以上的D/A转换器,需将REF的范围进行扩展。使用REFH值,即REFH =DD/4"23*DD/32,扩展为REFH= (DD/4-DD /32) "23*DD/32, 向电压低端扩展一个分辨单元值DD /32,相当于二进制码值VRH=0"15扩展为-1 "15。这是实现8bit及以上D/A转换的关键。VRH= -1是一个特殊条件,超出了REF取值范围对应的二进制码值VRH的界限,须由低段基准电压REFL与外围可编程固定衰减比的电阻网络实现。PIC16C62%26;#215;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=1/(0+1) 0=2kΩ(内部固定电阻)。   当OC门GK截止时,衰减系数=1 (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REFH基准值可由低段二进制码值VRL对应的REFL值乘上系数得到。   VRH=-1时,REFH=DD/4-DD/32=7DD /32,建立如下方程式   7DD /32 =(DD/24)* VRL* (1)   VRL=1"15 (取整数) (2)   K <1 (3)   可得VRL=6"15的多组解,取其中任一组解均可,例如:VRL=7,=0.75。   系数由外接电阻1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,再根据=1/(0+1)、0=2kΩ 计算出1的阻值。1也可用一只电位器调整的方式代替。 2.2 编程4bit PWM实现8bit的D/A转换   设8bit 待D/A转换的二进制数存放于PIC16C62%26;#215;;的数据存储器的某一单元,定义为如下格式:   将其分为两个4bit的二进制码:VR=VR3VR2VR1 VR0,VP=VP3VP2VP1V P0。VR控制基准电压源实现4bit D/A转换,VP用于对基准源的输出电压进行4bit PWM(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4bit D/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4bit PWM的高电平和低电平,这就组成一个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。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-1的值决定。编程时,首先将待D/A转换的8bit二进制数分成高4位与低4位,低4位存放于PIC16C62%26;#215;的某一数据存储器R0中,高4位作4次右移(移到字节低端)存放于PIC16C62%26;#215;的另一个数据存贮器R1中。利用PIC16C64%26;#215;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VP决定占空比的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VRH=0时,VR-1对应的REF由前所述的REFL低段值实现。   OUT即为8bit 的D/A输出。PWM的滤波电路由0、2、1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PIC16C62%26;#215;的高速RISC精简指令,D/A转换速度可达到400Kbit /s以上。DD的温漂要求尽量小。OUT可根据需要进行放大或电平变换。 3 A/D转换器   如图1所示,把前述D/A转换输出的OUT模拟信号接到PIC16C62%26;#215;内部的一个比较器的同相端,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PIC16C62%26;#215;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A/D转换速度。定义一个PIC16C62%26;#215;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OUT电平,OUT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“A/D转换结果数据寄存器”中的数据,使OUT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A/D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A/D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OUT电平的变化范围相一致。 4 小结   PIC16C62%26;#215;;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口具备直接驱动发光二极管与LED数码管的能力。采用本文所述的A/D、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。 参 考 文 献 1 MICROCHIP. PIC16C62%26;#215; DATA SHEET. 1997. 10 " 22

关键字:单片机

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