用普通单片机实现低成本高精度AD与DA转换

1、用普通单片机实现低成本高精度A/D与D/A转换(之一)摘要：用普通单片机实现低成本的多路A/D与D/A转换，其转换结果为8bit或更高。关键词：单片机A/D转换 D/A转换 PWM (脉冲宽度调制)比较器目前单片机在电子产品中已得到广泛应用，许多类型的单片机内部已带有A/D转换电路，但此类单片机会比无A/D转换功能的单片机在价格上高几元甚至很多，本文给大家提供一种实用的用普通单片机实现的 A/D转换电路，它只需要使用普通单片机的2个I/O脚与1个运算放大器即可实现，而且它可以很容易地扩展成带有4通道A/D转换功能，由于它占用资源很少，成本很低，其 A/D转换精度可达到8位或更高，因此很具有实用

2、价值。其电路如图一所示：DLpwm 波形 JUWUL模阳量输入小 >单片机R 10k U1=5V+DH(D14D2)Cl500)(this.resized=true; this.width=500; this.alt='点击 查看原 图' this.style.cursor='hand'" onclick="if(!this.resized)(returntrue;elsewindow.open('border="0"width="500">图一其工作原理说明如下：1、硬件说明：图一

3、中“RA。和“RAT为单片机的两个I/O脚，分别将其设置为输出与输入状态，在进行 A/D 转换时，在程序中通过软件产生 PWM ,由RA0脚送出预设占空比的 PWM波形。RA1脚用于 检测比较器输出端的状态。R1、C1构成滤波电路，对RA0脚送出的PWM波形进行平滑滤波。 RA0输出的PWM波形经过 R1、C1滤波并延时后，在U1点产生稳定的电压值，其电压值 U1=VDD*D1/ (D1+D2 ),若单 片机的工作电压为稳定的 +5V,则U1=5V*D1/ (D1+D2 )。图一中的LM324作为比较器使用，其输入负端的U1电压与输入正端的模拟量电压值进行比较，当U1大于模拟量输入电压时，比较

4、器的输出端为低电平，反之为高电平。2、A/D转换过程：如果使RA0输出PWM波形，其占空比由小到大逐渐变化，则U1的电压会由小到大逐渐变化，当U1电压超过被测电压时，比较器的输出端由高电平变为低电平，因此可以认为在该变化 的瞬间被测的模拟量与 U1的电压相等。由于U1的电压值=VDD*D1/ (D1+D2 )，当VDD固定时，其电压值取决于 PWM波形的占空比， 而PWM的占空比由单片机软件内部用于控制PWM输出的寄存器值决定，若软件中用1个8位寄存器A来存放RA0输出的PWM的占空比值D1 ,因此在RA1检测到由“1变为“0的瞬间， A寄存 器的值D1即为被测电压的A/D转换值，其A/D转换

5、结果为8位。如果用16位寄存器来 作输出PWM的占空比，则A/D转换值可达到16位。3、A/D转换误差分析及解决办法：A/D转换的误差主要由以下几个方面决定，分别说明如下：(1) 单片机的电源电压 VDD :在该A/D转换中，VDD电压是造成A/D转换误差的主要原因， 如果使VDD电压精度做到较高，贝U A/D转换误差可以做到很小，在 VDD电压精度为0.5%情 况下，实际的A/D转换误差小于1%。(2) 软件产生的PWM占空比：若用于产生 PWM的软件设计不良，会使存放占空比的寄存 器值与实际输出的PWM占空比不一致，这会导致测量误差。(3) 比较器输入端的失调电压：该电压对A/D转换精度有

6、一定影响，但影响较小。(4) RC滤波电路的纹波：在 R1、C1取值不当的情况下，U1处的电压纹波较大，并且延时 时间不够，会使A/D转换产生误差，因此 R1、C1取 值不能太小，但太大又会影响 A/D转换 速度，推荐使用图一中所示的R1、C1参数，在纹波合理的情况下，其转换误差也可通过软件消除。A/D转换误差的解决办法：(1) 对VDD造成的误差，只能通过提高 VDD电压精度来解决，它相当于 A/D转换的基准电 压。(2) 对于软件中PWM设计不良导致的误差， 可修改软件进行解决，本文提供了用软件产生 PWM的程序流程图，实际使用中可按此流程设计程序。(3) 对比较器及RC滤波电路的纹波导致

7、的误差，在软件中可通过上、下检测法进行消除，即先将PWM的占空比由小到大变化，使 U1电压由低往高逐 渐变化，在比较器输出端变化 时记录其A/D转换值，再将PWM的占空比由大到小变化，使 U1电压由高到低变化，在比较 器输出端变化时记录其 A/D转换值，将两次的A/D转换值进行平均，可有效地消除这两种误 差。(4) 对A/D转换值进行数字滤波，如多次转换求平均值等。数字滤波消除误差的方法很多， 在此不再赘述。4、A/D转换速度及提高办法：由于该A/D转换是通过PWM滤波后再进行比较来完成的，其 PWM的产生与滤波都需要一定 的时间，因此其A/D转换速度较慢，适用于对 A/D转换速度要求不高的产

8、品中，其 A/D转换 速度取决于以下几个方面：(1) 单片机的运行速度：单片机的运行速度越高则PWM的频率可以越高，RC值就可以取得越小，其延时时间也可以更短，转换速度就更快。(2) 被测电压值的大小：由于 U1电压时是由小到大逐渐加大的，当被测电压值较小时，U1电压上升到相应值的时间就越短，完成A/D转换的速度就越快。(3) 初始占空比：初始占空比越高，U1电压较大，其上升到被测电压值的时间也就会越短， 完成A/D转换的速度也就越快。由上所述，A/D转换的速度可以通过提高单片机的工作频率，并在预知被测电压范围时尽可 能地设置较高的初始占空比值来加快转换速度，如果所要求的A/D转换精度要求不高

9、，还可以在软件中缩短PWM输出的延时时间来提高 A/D转换速度。若单片机带有外部电平变换 中断和定时器中断，其 A/D转换的精度 和速度还可以得到提高。5、输入电压的测量范围：A/D转换的输入电压测量范围为 0V至单片机的电源电压(VDD ),若需要提高被测电压范围， 可将输入电压通过电阻分压后进行测量，但其A/D转换的误差会受分压电阻影响。6、A/D转换通道的多路扩展：图中所用的运算放大器为 LM324，该集成电路内部带有4个运放，其余3个运放的输入端可分 别作为另外3个A/D转换通道，其输出端与单片机连接，在软件上略作修改，就可以在不增 加成本的情况下实现4路A/D转换。7、用同样的工作原

10、理实现 D/A转换：如图二所示，可使该电路很容易地只用单片机的一个I/O脚实现D/A转换功能。其输出的模拟量电压Vout=VDD*D1/ (D1+D2 )。该输出电压带有纹波，当 RC值足够大时，该纹波值几 乎为零，可忽略不计。PWM波形JU1JUULCt1 LM324IV模报量输出Vout-VDD*Dli1Dl+D2)单片机500)this.resized=true; this.width=500; this.alt='点击 查看原 图; this.style.cursor='hand"， onclick="if(!this.resized)returnt

11、rue;elsewindow.open(' border="0”>图二8、单片机的A/D转换软件程序流程图:500) (this.resized=true; this.width=500;this.alt='点击查看原图' this.style.cursor='hand'" onclick="if(!this.resized) (return true; else window.open(' border="0">用普通单片机实现低成本 A/D转换(二)摘要：用普通单片机实现低成本的多

12、路A/D转换。关键词：单片机 A/D转换 比较器 计时器在此前笔者曾介绍了普通单片机实现低成本A/D转换的一种方法，在实际使用中还有其它的不少方法可以实现低成本 A/D转换，在本文中我们继续为电子设计者们提供又一种 A/D转换方法，该方法同样占用较少的单片机资源，成本也很低，仍然有很强的实用性，该电路曾在锂离子电池充电器中作 A/D转换使 用，效果良好。其电路如图一所示：500) (this.resized=true; this.width=500; this.alt='点击查看原图' this.style.cursor='hand'" onclick

13、="if(!this.resized)(returntrue;elsewindow.open('border="0"width="500">图一其工作原理说明如下：1、硬件电路说明：图一中的R1和N1 (TL431 )产生一个2.495V的稳定电压，作为 A/D转换比较基准。R2、VI、 VD1、VD2和R3构成一个恒流源电 路给C1充电，C1上的电压与恒流源的电流大小及充电时 间成正比。MC74HC4051为8选1模拟开关，其输入通道由单片机控制来选择。LM393作为 比较器,当C1上的电压由低到高上升到超过模拟开关输出电压时，

14、其输出端会从低电平转变 为高电平。“RA(L “RA1'和“RA2为单片机的3个I/O脚，RA0设置为输入状态，用于检测 比较器输出电平变化，RA1和RA2设置为输出状态， RA1输出高电平时，V2导通，用于将C1上的电荷放空，RA2用于选择模拟开关的输入通道。2、A/D转换过程：首先RA2输出低电平，使模拟开关选择X0 (基准电压)作为输入，RA1输出高电平，使 V2导通将C1上的电量放完，然后使RA1输出低电平，使V2截止，此时C1上的电容开始被充电， 同时计数器开始计数，当C1上的电压不断上升，并达到比较器输入负端的电压(此时为基准电压Vref)时，比较器的输出端由低电平转为高电

15、平，此时记录下计数器的计数值，为T1。 接着RA2输出高电平，使模拟开关选择X1 (被测电压)作为输入，RA1输出高电平，使 V2导通将C1上的电量放完，然后使RA1输出低电平， 使V2截止，此时C1上的电容又开始被充 电，同时计数器开始计数，当C1上的电压不断上升，并达到比较器输入负端的电压(此时为基准电压)时，比较器的输出端由低电平转为高电平，此时记录下计数器的计数值，为T2。由于C1是被恒流充电，因此 C1上的电压与充电时间成正比，即 V=T*k。当C1的容值与充电 的恒流值不变时，k是一个固定不变的常数。由此可以得到： Vref/T1=V1/T2 ，即 V1=Vref*T2/T1由于V

16、ref是基准电压（2.495V），因此只要利用单片机的定时器测出T1和T2,就可以计算出被测电压V1的值。3、A/D转换误差分析及解决办法：A/D转换的误差主要由以下几个方面决定，分别说明如下：1、 基准电压Vref:在该A/D转换中，Vref电压是造成A/D转换误差的主要原因，如果使 Vref 电压精度做到较高，则 A/D转换误差可以做到很小，在 Vref电压精度为0.5%情况下，实际的 A/D转换误差小于1%。2、定时器误差：若单片机对比较器输出端的电位变化反应慢，或定时器误差较大，则测量 到的T1与T2值不准，也会导致测量误差。3、 比较器输入端的失调电压：该电压对A/D转换精度有一定影

17、响，但影响较小。4、运算误差：由于 V1值要经过乘除法运算后得到，在进行运算过程中如果数据处理不当， 如余数处理不当，也会产生误差。5、干扰误差：当输入电压不稳时，恒流源的输出电流会有一定的影响，会产生干扰误差。A/D转换误差的解决办法：1、 对Vref造成的误差，只能通过提高 Vref电压精度来解决，它相当于 A/D转换的基准电压。2、 对于定时器误差，在单片机中可使 RA0 口采用带电平变化中断功能的 I/O 口，以提高反应 速度，同时减少恒流源的电流大小，或加大 C1电容容量，可以增加T1、T2的测量时间，使 计数值加大，达到提高 A/D转换精度的目的。3、选用灵敏度高的比较器可解决比较

18、器输入端导致的误差问题。4、对运算误差，可以通过软件上的改进来解决。5、对于干扰造成的误差，可对 A/D转换值进行数字滤波，如多次转换求平均值等方法来解 决。数字滤波消除误差的方法很多，在此不再赘述。4、A/D转换速度及提高办法：由于该A/D转换是通过恒流源对 C1电容充电后再进行比较来完成的，C1电容的充电过程需要一定的时间，因此其A/D转换速度较慢，适用于对A/D转换速度要求不高的产品中，其A/D转换速度取决于以下几个方面：1、 恒流源的电流大小：恒流源的充电电流越大，C1上的电压上升速度就越快，到达被比较 电压的时间也就更短，转换速度就更快。2、C1电容的大小：其道理与前一点一样，当电容小时，电压上升速度就越快，到达被比较电压的时间也会越短，转换速度就越快。 但由于计数值小，由定时器造成的测量误差也有可能加大。3、 单片机的工作频率：由于 A/D转换值是经过乘除运算后完成的，因此单片机的运算速度 也会对A/D转换速度有影响，尤其当计数器值为16位时。由上所述，A/D转换的速度可以通过提高单片机的工作频率，增大恒流源的输出电流，减小C1电容容值来加快A/D转换速度，但要注意当T1、T2计数值太小时有可能使定时器因素造 成的误差增大，因此在实际使