基于單片機(jī)I／O口實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換方法

周渡海，何此昂

（1.北京建筑工程學(xué)院 電信學(xué)院，北京100044；2.華中科技大學(xué) 電氣學(xué)院）

引 言

在某些特定的場(chǎng)合（主要是在數(shù)字電子應(yīng)用方面），需要一個(gè)模擬信號(hào)輸入來進(jìn)行一些基本模擬量的測(cè)量，或者是提供可控的方式使用外部電位器。像這樣的需求，由一個(gè)內(nèi)置A／D（模／數(shù)）轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)就能很好地實(shí)現(xiàn)；當(dāng)然，也可以使用一些經(jīng)濟(jì)的外部器件，由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字Ⅰ／O口來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的A／D轉(zhuǎn)換功能。本文以Holtek系列單片機(jī)為對(duì)象，介紹使用標(biāo)準(zhǔn)的施密特輸入口或CMOSⅠ／O作為基本A／D轉(zhuǎn)換口的使用方法，為對(duì)A／D轉(zhuǎn)換精度要求不高的應(yīng)用提供了一種低成本的A／D轉(zhuǎn)換實(shí)用方案。

1 I／O口A／D轉(zhuǎn)換原理

Ⅰ／O口A／D轉(zhuǎn)換的原理是：對(duì)某一電容充電達(dá)到某個(gè)固定的電壓值，然后以恒定電流進(jìn)行放電，通過測(cè)量放電時(shí)間來獲得當(dāng)前輸入信號(hào)的強(qiáng)弱。通過設(shè)置Ⅰ／O口為輸出高電平可以迅速地對(duì)電容進(jìn)行充電，在輸出口與電容之間建議串接一個(gè)100Ω的小電阻來限流，防止大電流損壞。電容充電的表達(dá)公式如下：

式中：VC是電容電壓，VO是Ⅰ／O口輸出電壓（與單片機(jī)實(shí)際工作電壓有關(guān)）。將輸出口置高開始對(duì)電容充電后僅需短時(shí)間的延時(shí)，充電電壓即可達(dá)到VO的98%（這里需要的時(shí)間大約為39μs）。充電過程完成后，即可將控制口設(shè)置為輸入狀態(tài)。這是因?yàn)槠漭斎霠顟B(tài)為高阻態(tài)，此時(shí)電容就只能通過三極管的發(fā)射極對(duì)地以恒定的電流放電。電流大小與發(fā)射極上串聯(lián)的電阻有關(guān)，改變放電電流的大小即可改變放電斜率。

電流大小與電容電量之間的關(guān)系式如下：

式中：C是元件的電容，單位是F；dV／dt是電容上的電壓變化率，單位是V／s；I是流過電容的電流，單位為A。如圖1所示，如果流經(jīng)電容的電流是恒定的，那么充電時(shí)電容電壓上升的速率也是恒定的。也就是說，對(duì)電容的充放電曲線的斜率是由電容參數(shù)值和充放電電流值決定的，電壓的變化率dV／dt等于1／C。

圖1 電量與充放電時(shí)間關(guān)系圖

在放電時(shí)，如果電容與一個(gè)CMOS輸入端相連接，那么隨著電容電壓幅度的減小，當(dāng)其幅度降低到CMOS輸入的開關(guān)極限值時(shí)，CMOS輸入端將從高電平變?yōu)榈碗娖健Ｊ褂脙?nèi)部定時(shí)器／計(jì)數(shù)器從放電周期開始對(duì)輸入端進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)輸入端出現(xiàn)下降沿時(shí)，如果定時(shí)器／計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，則定時(shí)器寄存器的剩余值是與放電電流成比例的。放電電流大小是由發(fā)射極的兩個(gè)電阻決定的，其中一個(gè)電阻是電位器。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2 硬件設(shè)計(jì)圖

硬件電路由極少的標(biāo)準(zhǔn)元器件組成，如圖2所示。用一個(gè)紅色的LED（D1）提供一個(gè)大約1.8V的參考電壓，同時(shí)具有上電指示的功能（也可使用不同顏色的LED或串聯(lián)幾個(gè)低功耗的二極管，如1N4148）。LED的正向電壓與Q1（2N2222）基極到射極之間的電壓相減，便得出串聯(lián)電阻R1和R2上的電壓，從而在Q1的發(fā)射極產(chǎn)生一個(gè)恒流源。這將在Q1的集電極產(chǎn)生一個(gè)恒定的電流，該電流即為放電電流。三極管的集電極電流同基極電流的關(guān)系，是由三極管的放大倍數(shù)值決定的，與外部電路的精確度無關(guān)。幾乎所有的NPN型三極管都可以應(yīng)用到該電路中。單片機(jī)的Ⅰ／O引腳經(jīng)一個(gè)100Ω的電阻與電容C1連接，當(dāng)充電時(shí)，這個(gè)電阻對(duì)電容具有限流保護(hù)作用。在放電期間，Ⅰ／O口具有高輸入阻抗，所以不會(huì)影響A／D轉(zhuǎn)換的精確度。R1的作用是當(dāng)R2電位計(jì)在最小值時(shí)，確保三極管Q1工作在非飽和區(qū)，并維持電流源工作。如果R1為1.2kΩ，那么提供的電流源的值大約為1mA，選取較小的電阻值以便于計(jì)算。選取R2為10kΩ的目的是，當(dāng)其在較大值時(shí)可降低功耗，并且可以防止外界干擾。

使用Holtek公司的HT48F06E的Flash Ⅰ／O型單片機(jī)來設(shè)計(jì)Ⅰ／O口A／D輸入方式。事實(shí)上任何一款帶有施密特觸發(fā)、CMOS Ⅰ／O結(jié)構(gòu)的Holtek單片機(jī)都可以使用。注意，NMOS型Ⅰ／O引腳不適合于該應(yīng)用。如果電容放電電壓的下降沿下降得相對(duì)比較緩慢，非施密特型的CMOS輸入也不適用于該應(yīng)用，因?yàn)榫徛南陆笛剌斎朐陔妷航档介T限電壓時(shí)不能產(chǎn)生一個(gè)明確的邏輯轉(zhuǎn)換。檢查電路將會(huì)發(fā)現(xiàn)，電容電壓從Vdd開始放電到輸入引腳的門限電壓Vth之間的時(shí)間，可由電壓的變化量除以電壓的變化率求得。方程式如下：

式中：Vth是輸入引腳的門限電壓值，C是電容值，I是恒定的放電電流值。I可由三極管Q1發(fā)射極的電壓Ve除以R2與R3之和得出，代入方程式可得出：

式中：Ve是發(fā)射極電壓值，它可由LED的正向電壓減去三極管的Vbe得出。

3 軟件設(shè)計(jì)

A／D轉(zhuǎn)換編碼很簡(jiǎn)單，它是由連續(xù)地對(duì)電容充放電來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)電容充電，通過設(shè)置Ⅰ／O為輸出，并設(shè)置一個(gè)較長(zhǎng)的固定時(shí)間周期以確保電容滿充。一個(gè)100nF的電容和一個(gè)100Ω的電阻可以達(dá)到10μs的固定時(shí)間周期，它可以作為一個(gè)計(jì)算合適充電時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)電容充電的合適時(shí)間應(yīng)不小于10倍的RC充電時(shí)間常數(shù)。當(dāng)Ⅰ／O口由低輸出變?yōu)楦咻斎霠顟B(tài)，放電過程即可開始，同時(shí)定時(shí)計(jì)數(shù)器也開始計(jì)時(shí)。該系統(tǒng)使用3.58MHz的晶振，如果設(shè)置定時(shí)器預(yù)分頻器的值為16，將得到一個(gè)約4.47 μs的時(shí)鐘周期。此時(shí)，TMR寄存器的溢出周期為（255×4.47μs）＝1.14ms。若該溢出周期遠(yuǎn)小于電容由滿充到輸入門限電壓值的放電時(shí)間，A／D轉(zhuǎn)換值將會(huì)是大于8位二進(jìn)制的數(shù)據(jù)。如果增加預(yù)分頻器值到64，將會(huì)得到一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)鐘周期，允許A／D轉(zhuǎn)換值在8位（即255）以內(nèi)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

由于Holtek單片機(jī)的指令和處理方式與很多公司（如Atmel、TⅠ、NXP等）的微處理器類似，所以 Holtek單片機(jī)程序可以很方便移植到各類單片機(jī)中。

編者注：源代碼見本刊網(wǎng)站 www.mesnet.com.cn。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4為使用泰克公司示波器測(cè)試的電容兩端的電壓波形。可以清楚地看到電容充電整個(gè)過程的指數(shù)上升曲線。上升時(shí)間比預(yù)計(jì)值長(zhǎng)，這可能是由于單片機(jī)CMOS輸出口的電壓驅(qū)動(dòng)能力沒有理想中的好。這一點(diǎn)在充電周期起始階段、充電電流值比較大時(shí)，表現(xiàn)得尤為明顯。注意，電流源將不斷地從CMOS輸出口吸收電流，這對(duì)上升時(shí)間產(chǎn)生一些影響，可通過在電容充電時(shí)加一個(gè)較長(zhǎng)延時(shí)來解決。這條曲線表明，在這個(gè)范例中，允許電容充電時(shí)間的編程值明顯長(zhǎng)于所必需的時(shí)間，并且可以縮短整個(gè)A／D轉(zhuǎn)換的時(shí)間。至于比較重要的放電斜率，盡管沒有測(cè)量，但看起來線性度非常好。施密特觸發(fā)Ⅰ／O輸入口的轉(zhuǎn)換也很明顯，而且沒有檢測(cè)到干擾信號(hào)。另外，由高到低變化的門限電壓值為1.62V，這個(gè)值依賴于處理過程，而且隨著選擇的芯片不同而有所變化，它對(duì)A／D轉(zhuǎn)換值有著重要的影響。

圖4 實(shí)際測(cè)試波形

由于該應(yīng)用范例只是提供一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換的基本形式，因此不適用于精確的測(cè)量，只適用于轉(zhuǎn)換精度有限的領(lǐng)域。絕對(duì)誤差的主要來源在于所使用電容的實(shí)際值和輸入電壓的門限值。盡管使用的電容為0.1μF，但它的容限可能會(huì)大。如果采用軟件校準(zhǔn)對(duì)絕對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，那么將獲得一個(gè)合理的精確度。另外，還存在一些小誤差，其中一個(gè)就是電容放電時(shí)，由于三極管Vce電壓值不斷變化引起的放電電流的微弱變化。其他誤差可能是由不很理想的電源電壓引入的。注意：要確保沒有上拉電阻與Ⅰ／O引腳相連，否則將會(huì)產(chǎn)生誤差，影響到放電斜率的線性度，尤其在放電電流較小的情況下。

結(jié) 語

本文介紹如何用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)邏輯Ⅰ／O引腳與內(nèi)部定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，以及一些低成本的器件來實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換功能。雖然不是針對(duì)高精度的A／D轉(zhuǎn)換應(yīng)用，但這個(gè)構(gòu)思實(shí)際上可以實(shí)施于低分辨率、低成本的A／D轉(zhuǎn)換功能。在示波器曲線上隨意測(cè)量放電斜率，雖然測(cè)量方式比較簡(jiǎn)單，但可以看到很好的線性度。目前，只使用了一個(gè)Ⅰ／O引腳，但很容易應(yīng)用于多通道模擬輸入。本文使用一個(gè)電位計(jì)提供模擬信號(hào)輸入，也可以用一個(gè)固定電阻來代替，并使用一個(gè)緩沖電壓源與三極管的基極連接，從而來提供模擬信號(hào)的輸入。雖然這個(gè)電壓源可以用來控制放電電流，但是對(duì)三極管保持導(dǎo)通并工作在線性區(qū)域的輸入電壓范圍加大了限制。使用外部中斷作為模擬測(cè)量輸入腳，可以實(shí)現(xiàn)更高效率的程序代碼，在A／D轉(zhuǎn)換過程中程序可以繼續(xù)執(zhí)行其他的任務(wù)。

本文介紹的方法可以廣泛地應(yīng)用于低成本的溫度檢測(cè)場(chǎng)合，諸如室外溫度計(jì)、電熱水器溫度檢測(cè)、空調(diào)溫度監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

［1］何此昂，等.Freescale 08系列單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.