單片機(jī)低成本高精度A/D與D/A轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)解析

目前單片機(jī)在電子產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用，許多類型的單片機(jī)內(nèi)部已帶有A/D轉(zhuǎn)換電路，但此類單片機(jī)會比無A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)在價(jià)格上高幾元甚至很多，本文給大家提供一種實(shí)用的用普通單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換電路，它只需要使用普通單片機(jī)的2個I/O腳與1個運(yùn)算放大器即可實(shí)現(xiàn)，而且它可以很容易地?cái)U(kuò)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(shí)用價(jià)值。
　　其電路如圖一所示：
　　
　　其工作原理說明如下：
　　1、硬件說明：
　　圖一中“RA0”和“RA1”為單片機(jī)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(diǎn)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓值，其電壓值U1=VDD*D1/（D1+D2），若單片機(jī)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(jī)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：
　?。?） 單片機(jī)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，則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(shí)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(jì)不良，會使存放占空比的寄存器值與實(shí)際輸出的PWM占空比不一致，這會導(dǎo)致測量誤差。
　?。?） 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：
　?。?） 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。
　?。?） 對于軟件中PWM設(shè)計(jì)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(shí)際使用中可按此流程設(shè)計(jì)程序。
　?。?） 對比較器及RC濾波電路的紋波導(dǎo)致的誤差，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。
　?。?） 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)品中，其A/D轉(zhuǎn)換速度取決于以下幾個方面：
　?。?） 單片機(jī)的運(yùn)行速度：單片機(jī)的運(yùn)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?。河捎赨1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。
　?。?） 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(jī)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，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(jī)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(jī)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(kuò)展：
　　圖中所用的運(yùn)算放大器為LM324，該集成電路內(nèi)部帶有4個運(yùn)放，其余3個運(yùn)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(jī)連接，在軟件上略作修改，就可以在不增加成本的情況下實(shí)現(xiàn)4路A/D轉(zhuǎn)換。