本文介绍一种用普通单片机实现的Ａ／Ｄ转换电路，本设计只用普通单片机的２个Ｉ／Ｏ口加１个运算放大器即可实现１路Ａ／Ｄ转换，而且很容易扩展成４通道Ａ／Ｄ转换。该电路占用资源少，成本低，Ａ／Ｄ转换精度可达到８位或更高，很具实用价值。

　　其工作原理如下：

　　１．硬件电路

　　电路如图１所示。ＲＡ０和ＲＡ１为单片机的Ｉ／Ｏ口。进行Ａ／Ｄ转换时，通过软件产生ＰＷＭ，从ＲＡ０口送出预定占空比的ＰＷＭ波形，ＲＡ１口用于检测比较器输出端的状态。

　　Ｒ１、Ｃ１构成滤波电路，对ＲＡ０口送出的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产生稳定的电压，其电压值Ｕ１＝ＶＤＤ×Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ２）。
ＬＭ３２４作比较器用，其负输入端的电压Ｕ１与正输入端的模拟电压值进行比较，当Ｕ１大于模拟量输入电压时，比较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，且占空比由小到大逐渐变化，则Ｕ１的电压随之由低到高。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，因此可以认为在比较器输出电压由高到低跳变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为固定值时，其电压值取决于ＰＷＭ波形的占空比，而ＰＷＭ的占空比由内部用于控制ＰＷＭ输出的寄存器的值决定。若用寄存器Ａ来存放ＲＡ０输出的ＰＷＭ的占空比值Ｄ１，在ＲＡ１口由“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转换值为８位数。如果用１６位寄存器来作输出ＰＷＭ的占空比，则可达到１６位。

　　３．Ａ／Ｄ转换误差分析及误差解决

　　（１）误差分析

　　Ａ／Ｄ转换的误差主要由以下几个方面决定。

　　１）单片机的电源电压ＶＤＤ：在此Ａ／Ｄ转换中，ＶＤＤ电压不稳定是造成Ａ／Ｄ转换误差的主要原因。若ＶＤＤ电压精度较高，则Ａ／Ｄ转换误差可以很小，在ＶＤＤ电压精度为０．５％时，实际的Ａ／Ｄ转换误差小于１％。

　　２）ＰＷＭ占空比：若产生ＰＷＭ的软件设计不合理，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，引起测量误差。

　　３）比较器输入端的失调电压：该电压对Ａ／Ｄ转换精度有一定影响，但影响较小。

　　４）ＲＣ滤波电路的纹波：若Ｒ１、Ｃ１取值不当，Ｕ１处的电压纹波较大，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，但太大了又会影响Ａ／Ｄ转换速度，推荐使用图１中所示的Ｒ１、Ｃ１参数。在纹波合理的情况下，其转换误差可以通过软件消除。

　　（２）误差的解决办法

　　１）提高ＶＤＤ电压精度。

　　２）修改软件，解决软件中ＰＷＭ设计不良导致的误差。图２为产生ＰＷＭ的程序流程图，可按此流程设计程序。

　　３）比较器及ＲＣ滤波电路的纹波导致的误差可通过上、下检测法消除，即先将ＰＷＭ的占空比由小调到大，使Ｕ１电压由低向高变化，并记录比较器输出端的Ａ／Ｄ转换值，再将ＰＷＭ的占空比由大调到小，使Ｕ１电压由高向低变化，记录比较器输出端的Ａ／Ｄ转换值，将两次的Ａ／Ｄ转换值进行平均。

　　４）对Ａ／Ｄ转换值进行数字滤波，如多次转换求平均值等。

　　４．Ａ／Ｄ转换速度及其提高

　　由于Ａ／Ｄ转换是通过ＰＷＭ滤波后再进行比较来完成的，而ＰＷＭ的产生与滤波都需要一定的时间，因此转换速度较慢，适用于对Ａ／Ｄ转换速度要求不高的场合。

专栏文章内容及配图由作者撰写发布，仅供工程师学习之用，如有侵权或者其他违规问题，请联系本站处理。 联系我们