用單片機設計A/D、D/A轉換器

ժ Ҫ 某些單片機內部已經集成了A/D、D/A轉換器，使其在工控行業、儀器儀錶、家電產品的應用與日俱增。但是，這類單片機還存在價格偏高、引腳利用率較低的問題。介紹一種性價比高，在家電產品應用中具有價格競爭優勢的利用PIC16C62×系列單片機的A/D、D/A轉換技術。

    關鍵詞 PWM   解析度  逐次逼近   電阻梯形網路

    PIC16C62×系列為RISC精簡指令、哈佛結構匯流排、18個引腳的單片機。具有低功耗、高性能、全靜態、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×系列內部集成了兩個模擬比較器和一個4bit的可編程基準電壓源（V_REF）。如果利用該單片機的這些特點，只需幾個外圍RC元件就具備A/D與D/A轉換功能，且解析度達到8bit～10bit。價格上的優勢使其在工控行業、儀器儀錶、家電產品的應用前景極為樂觀。

    本文以8bit解析度論證A/D、D/A轉換的實現方法，更高解析度的方案完全相似，只是在編程上作小部分調整。

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

圖1 PIC16C62×部分功能模塊及轉換電路

2.1 利用內部基準源

    PIC16C62×系列單片機內部基準源由一16個抽頭的電阻梯形網路構成，相當於一個4bit 解析度的D/A轉換器，該基準源由VRCON特殊功能寄存器控制。VRCON寄存器定義如下：

    V_REN：V_REF基準電壓源使能位，當V_REN=1時，內部基準電壓源使能。

    V_ROE：V_REF輸出選擇位，V_ROE=1時，V_REF輸出至RA2引腳。

    V_RR：V_REF段選擇，V_REF值可編程設定為高低兩個段輸出。

    V_R3~V_R0：4bit V_REF電壓值。改變該4位的值即改變了V_REF的電壓值。為了後文說明的需要，將該4位二進位碼作如下定義：

    V_R= V_R3V_R2V_R1V_R0

    V_R-1=V_R3V_R2 V_R1V_R0－1

    根據PIC16C62×的特性：

    （1）當V_RR=1時，低段基準電壓輸出V_REFL= V_DD*V_RL/24，分辨單元V_F1=V_DD/24。

    V_REFL電壓值範圍為：V_RL*V_DD/24，V_RL= 0~15，表示相應的低段二進位碼值。

    （2）當V_RR=0時，高段基準電壓輸出V_REFH=V_DD/4+V_DD*V_RH/32，分辨單元V_F2=V_DD/32。V_RH=0~15，V_RH表示相應的高段二進位碼值。

    V_REFH電壓值變化範圍為：V_DD/4~23*V_DD/32。

    上述V_DD為PIC16C62×的供電電壓，只要在該供電端加一個簡單的LC電源去耦電路，就能很好的保證基準電壓V_REF的抗雜訊要求。

V_REF的範圍進行擴展。使用V_REFH值，即V_REFH =V_DD/4~23*V_DD/32，擴展為V_REFH= (V_DD/4－V_DD /32) ~23*V_DD/32, 向電壓低端擴展一個分辨單元值V_DD /32,相當於二進位碼值V_RH=0~15擴展為－1 ~15。這是實現8bit及以上D/A轉換的關鍵。V_RH= －1是一個特殊條件,超出了V_REF取值範圍對應的二進位碼值V_RH的界限,須由低段基準電壓V_REFL與外圍可編程固定衰減比的電阻網路實現。PIC16C62×的內部有一個場效應OC門（漏極開路門），將其接成圖1所示的應用電路。

    當OC門GK導通時，衰減係數K=R₁/（R₀+R₁） R₀=2kΩ（內部固定電阻）。

    當OC門GK截止時，衰減係數K=1 (RA4引腳為高阻)。

    場效應OC門通過編程對RA4引腳進行I/O操作實現其導通與截止。

    由上所述，高段V_RH=－1對應的V_REFH基準值可由低段二進位碼值V_RL對應的V_REFL值乘上係數K得到。

    V_RH=－1時，V_REFH=V_DD/4－V_DD/32=7V_DD /32，建立如下方程式

    7V_DD /32 =（V_DD/24）* V_RL*K      （1）

    V_RL=1~15 (取整數)                          （2）

    K<1                                                 （3）

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

    係數K由外接電阻R₁的取值決定。編程時，首先確定V_RL值，然後根據式（1）計算出係數K，再根據K=R₁/（R₀+R₁）、R₀=2kΩ 計算出R₁的阻值。R₁

    設8bit 待D/A轉換的二進位數存放於PIC16C62×的數據存儲器的某一單元，定義為如下格式：

將其分為兩個4bit的二進位碼：VR=VR3VR2VR1 VR0，VP=VP3VP2VP1V P0。VR控制基準電壓源實現4bit D/A轉換，VP用於對基準源的輸出電壓進行4bit PWM（脈寬調製）。PWM的高電平為VR對應的VREF電壓值, PWM的低電平為VR-1對應的VREF電壓值。如此，以4bit D/A轉換基準電壓源的兩個相鄰二進位碼對應的兩個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轉換器。圖2、圖3為常規PWM與D/A+PWM的區別，常規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PWM的工作原理一樣，只是PWM脈衝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轉換的8bit二進位數分成高4位與低4位，低4位存放於PIC16C62×的某一數據存儲器R0中，高4位作4次右移(移到位元組低端)存放於PIC16C62×的另一個數據存貯器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。將定時器中斷設置為最高優先順序別，以保證PWM的占空比精度。此段程序的實質是：在由二進位碼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脈衝的高電平由向VRCON控制寄存器低4位裝入VR產生，PWM脈衝的低電平由向VRCON控制寄存器低4位裝入VR-1產生。程序中需判斷：當VRH=0時，VR-1對應的VREF由前所述的VREFL低段值實現。

    V_OUT即為8bit 的D/A輸出。PWM的濾波電路由R₀、R₂、C₁組成，其時間常數根據PWM的周期選定，與具體應用中對D/A轉換要求的速度和編程有關。由於PIC16C62×的高速RISC精簡指令，D/A轉換速度可達到400K bit /s以上。V_DD的溫漂要求盡量小。V_OUT可根據需要進行放大或電平變換。

    如圖1所示，把前述D/A轉換輸出的V_OUT模擬信號接到PIC16C62×內部的一個比較器的同相端，待轉換模擬信號接到比較器的反相端，這就構成一個典型的逐次逼近型A/D轉換器。其原理在許多教科書里講得非常清楚，本文不再詳述。

    由於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轉換速度。定義一個PIC16C62×的數據存儲器單元作為A/D轉換結果數據寄存器，啟動A/D轉換之前在此寄存器內預置一個經驗數據，採用前述D/A轉換的方法將此數據轉換成V_OUT電平，V_OUT電平與待轉換模擬信號電平進行比較。比較器的同相端電平高於反相端電平時，比較器輸出邏輯“1”，併產生一次中斷。比較器的同相端電平低於反相端電平時，比較器輸出邏輯“0”，也產生一次中斷。比較器輸出邏輯狀態“1”或“0”可從其特殊功能寄存器的相關位查詢獲取。在比較器中斷程序中，根據查詢結果逐次修改“A/D轉換結果數據寄存器”中的數據，使V_OUT電平逐次逼近並最終收斂於待轉換模擬信號電平，收斂時數據寄存器中的值即為A/D轉換結果。收斂演演算法的優劣是提高A/D轉換速度的關鍵，這與具體應用場合及外圍電路參數相關。不過，大多數家電產品應用中被轉換的模擬信號為低速緩慢變化信號，對A/D轉換速度的要求並不高。因此，對收斂演演算法的要求不高，通常採用從MSB至LSB逐次進行比較的演演算法。另外，待轉換模擬信號須經過電平變換，使其變化範圍與V_OUT電平的變化範圍相一致。

    PIC16C62×系列單片機內部有兩個獨立的模擬比較器，並且其數字I/O口具備直接驅動發光二極體與LED數碼管的能力。採用本文所述的A/D、D/A轉換器原理的應用電路只佔用其內部一個模擬比較器、一個基準源、4個引腳的資源，外圍電路也很簡單，應用系統容易做到體積小、可靠性高、性價比好。缺點是A/D、D/A的轉換速度較慢並佔用單片機的大量時間資源，適合於低速變化的信號應用。

1 MICROCHIP. PIC16C62× DATA SHEET. 1997. 10

1 PIC16C62×系列單片機的特點