一、PWM實現AD
利用普通單片機的2個IO及一個運算放大器即可實現AD轉換電路,而且很容易擴展成多通道。其占用資源少,成本低,AD 轉換精度可以達到8位甚至更高,因此具有一定的實用價值。
1.1 硬件電路說明
圖一中“RA0”和“RA1”為單片機的兩個I/O腳,分別將其設置為輸出與輸入狀態,在進行A/D轉換時,在程序中通過軟 件產生PWM,由RA0腳送出預設占空比的PWM波形。RA1腳用於檢測比較器輸出端的狀態。 R1、C1構成濾波電路,對RA0腳送出的PWM波形進行平滑濾波。RA0輸出的PWM波形經過R1、C1濾波並延時后,在U1點產 生穩定的電壓值,其電壓值U1=VDD*D1/(D1+D2),若單片機的工作電壓為穩定的+5V,則U1=5V*D1/(D1+D2)。 圖一中的LM324作為比較器使用,其輸入負端的U1電壓與輸入正端的模擬量電壓值進行比較,當U1大於模擬量輸入電壓 時,比較器的輸出端為低電平,反之為高電平。
1.2 AD轉換過程
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U1電壓超過被測電壓時,比 較器的輸出端由高電平變為低電平,因此可以認為在該變化的瞬間被測的模擬量與U1的電壓相等。 由於U1的電壓值=VDD*D1/(D1+D2),當VDD固定時,其電壓值取決於PWM波形的占空比,而PWM的占空比由單片機軟件 內部用於控制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”變為“0”的瞬間,A寄存器的值D1即為被測電壓的A/D轉換值,其A/D轉換結果為8位。如果用16位寄存器來作 輸出PWM的占空比,則A/D轉換值可達到16位。
1.3如何減少AD轉換的誤差
AD轉換的誤差主要由以下幾個方面決定,分別說明如下:
(1)單片機的電源電壓VDD:在該A/D轉換中,VDD電壓是造成A/D轉換誤差的主要原因,如果使VDD電壓精度做到較高, 則A/D轉換誤差可以做到很小,在VDD電壓精度為0.5%情況下,實際的A/D轉換誤差小於1%。
(2)軟件產生的PWM占空比:若用於產生PWM的軟件設計不良,會使存放占空比的寄存器值與實際輸出的PWM占空比不一 致,這會導致測量誤差。
(3)比較器輸入端的失調電壓:該電壓對A/D轉換精度有一定影響,但影響較小。
(4)RC濾波電路的紋波:在R1、C1取值不當的情況下,U1處的電壓紋波較大,並且延時時間不夠,會使A/D轉換產生誤 差,因此R1、C1取值不能太小,但太大又會影響A/D轉換速度,推薦使用圖一中所示的R1、C1參數,在紋波合理的情況 下,其轉換誤差也可通過軟件消除。
AD轉換誤差的解決辦法:
(1)對VDD造成的誤差,只能通過提高VDD電壓精度來解決,它相當於A/D轉換的基准電壓。
(2)對於軟件中PWM設計不良導致的誤差,可修改軟件進行解決。
(3)對比較器及RC濾波電路的紋波導致的誤差,在軟件中可通過上、下檢測法進行消除,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轉換值,將兩次的A/D轉換值進行平均,可有效地消除這兩種誤差。
(4)對A/D轉換值進行數字濾波,如多次轉換求平均值等。數字濾波消除誤差的方法很多,在此不再贅述。
1.4 如何提高AD轉換的速度
由於該A/D轉換是通過PWM濾波后再進行比較來完成的,其PWM的產生與濾波都需要一定的時間,因此其A/D轉換速度較 慢,適用於對A/D轉換速度要求不高的產品中,其A/D轉換速度取決於以下幾個方面:
(1)單片機的運行速度:單片機的運行速度越高則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,轉換速度就更快。
(2)被測電壓值的大小:由於U1電壓時是由小到大逐漸加大的,當被測電壓值較小時,U1電壓上升到相應值的時間就越 短,完成A/D轉換的速度就越快。
(3)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轉換的速度也就越 快。
由上所述,A/D轉換的速度可以通過提高單片機的工作頻率,並在預知被測電壓范圍時盡可能地設置較高的初始占空比值 來加快轉換速度,如果所要求的A/D轉換精度要求不高,還可以在軟件中縮短PWM輸出的延時時間來提高A/D轉換速度。若 單片機帶有外部電平變換中斷和定時器中斷,其A/D轉換的精度和速度還可以得到提高。
二、PWM實現DA
利用同樣的原理,可使該電路很容易的只用單片機的一個I/O腳實現D/A轉換功能。
其輸出的模擬量電壓Vout=VDD*D1/ (D1+D2)。該輸出電壓帶有紋波,當RC值足夠大時,該紋波值幾乎為零,可忽略不計。如圖2所示。
為進一步減小紋波,可使用兩級RC濾波。 此處LM324作為一個跟隨器,提高電路的負載能力。