通過RC充放電實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的改良研究

陳遠(yuǎn)浩

（林百欣科技中專，廣東汕頭，515041）

0 引言

模數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用在數(shù)字電路和單片機(jī)智能控制等應(yīng)用領(lǐng)域，作用非常大，以單片機(jī)為例，傳統(tǒng)的做法一般是采在專用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片或采用RC模式，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定性一致性較好，抗干擾能力強(qiáng)，但是其缺點(diǎn)是成本高。玩具市場(chǎng)中，對(duì)價(jià)格特別敏感，具有量大，低成本的特點(diǎn)，為降低生產(chǎn)成本，常用簡單的電阻加電容來代替A/D轉(zhuǎn)換芯片。筆者長期從事單片機(jī)智能控制設(shè)計(jì)開發(fā)工作，在實(shí)際工作中逐步改良傳統(tǒng)RC模數(shù)轉(zhuǎn)換的劣勢(shì)，并實(shí)現(xiàn)抗干擾，高精度、低成本和批量生產(chǎn)時(shí)的一致性要求。

1 傳統(tǒng)RC模數(shù)方案存在的問題

圖1 傳統(tǒng)RC模數(shù)轉(zhuǎn)換原理圖

傳統(tǒng)的方法如圖1所示，采用2501B單片機(jī)的P2.0 輸出低電平時(shí)，電容C1 通過電阻R2、P2.0放電，當(dāng)P2.0為高阻或高電平時(shí)，電流通過R1、R2給電容C1充電，隨著時(shí)間的推移，A點(diǎn)的電壓慢慢升高，當(dāng)A的電壓與B點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓相等時(shí),C點(diǎn)會(huì)發(fā)生跳變，P2.1用于檢測(cè)C點(diǎn)的跳變。單片機(jī)記錄從C1充電到P2.1發(fā)生跳變時(shí)間T，就可以計(jì)算出被測(cè)電阻R2的模數(shù)轉(zhuǎn)換值D。充放電曲線如圖2所示。

這種方法存在如下問題：第一、電源電壓VCC波動(dòng)會(huì)影響充放電時(shí)間從而影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，第二、電容C1漏電或者低價(jià)電容的誤差比較大時(shí),對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果影響非常大，而高精度電容的價(jià)格又較高。第三、環(huán)境溫度的變化也會(huì)影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，第四、轉(zhuǎn)換時(shí)間較長（如參考文獻(xiàn)中[1]中所述的一個(gè)通道轉(zhuǎn)換時(shí)間10mS），如果按航模標(biāo)準(zhǔn)，遙控器的發(fā)射信號(hào)的時(shí)間間隔不能超過20mS，而大多數(shù)的遙控汽車、遙控船、遙控玩具飛機(jī)的A/D通道數(shù)都超過3路，則需30毫秒的時(shí)間才能完成轉(zhuǎn)換。第五、成本仍然偏高，因?yàn)槭褂昧吮容^器，其成本比A/D轉(zhuǎn)換芯片相差不大。

圖2 RC充放電曲線

2 RC模數(shù)轉(zhuǎn)換方法的改良策略

2.1 改良基本思路

基于以上傳統(tǒng)RC方案的缺陷，筆者提出用單片機(jī)端口提供充電電流，通過參考通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)來修正目標(biāo)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果的改良策略，其電路原理圖如圖3所示，以SONIX的SN8P2501B單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)W1電位器的模數(shù)轉(zhuǎn)換為例；電路中P2.0用于電容的放電，兼用于檢測(cè)電容C9是否已充電到高電平的電壓，P2.1作為參考通道接5.1k的參考電阻，P2.2端口接待轉(zhuǎn)換的電位器W1，R1為保護(hù)電阻，預(yù)防W1為0時(shí)的電流沖擊。

電路基本工作方案是：當(dāng)設(shè)置P2.1、P2.2為高阻狀態(tài)，P2.0為低電平時(shí)，電容C9通過電阻R5放電；放電完成后，設(shè)置P2.1輸出高電平給C9充電，同時(shí)P2.0改為輸入狀態(tài)，檢測(cè)C9上的電壓是否已充到單片機(jī)的高電平輸入狀態(tài)，單片機(jī)記錄從P2.1開始給C9充電到P2.0檢測(cè)到高電平的時(shí)間TR6，即為參考通道電阻R6的充電時(shí)間。同理，當(dāng)設(shè)置P2.1為高阻，P2.2為高電平，P2.0為輸入狀態(tài)時(shí)，P2.2通過電位器W1、電阻R1給電容C9充電，單片機(jī)記錄從P2.2開始給C9充電到P2.0檢測(cè)到高電平的時(shí)間TWR1，即為目標(biāo)通道電位器W1電阻R1的充電時(shí)間。

圖3 改良后的RC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

2.2 解決電源干擾的依據(jù)與方法

該單片機(jī)的內(nèi)部引腳電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SONIX2501B引腳內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

P2.0～P2.5都有內(nèi)置上拉電阻，可以通過指令使能。使能后等效電路如圖5，電容C9充電時(shí)間正比于單片機(jī)的電壓VDD，另一方面，根據(jù)SONIX2501B單片機(jī)的電氣特性，P2.0檢測(cè)到高電平的條件是T的電壓Vt>=0.7VDD，也是正比于單片機(jī)的電壓VDD，即當(dāng)電源電壓VDD升高時(shí)，雖然充電快了，但同時(shí)P2.0所需的高電平電壓Vt也相應(yīng)升高了，所以電源的波動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果沒什么影響。

圖5 單片機(jī)使能上拉電阻后的等效電路

2.3 解決電容誤差、環(huán)境溫度影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法

引入?yún)⒖纪ǖ?，即增加R6通道做模數(shù)轉(zhuǎn)換。如在圖5中，當(dāng)C9的電容誤差、環(huán)境溫度等因素影響W1所在通道的充電時(shí)長時(shí)，也同等程度影響了R6所在通道的充電時(shí)長，所以，程序中可根據(jù)R6通道所受影響程度來修正W1通道的數(shù)值。具體說就是根據(jù)TR6來修正TWR1。

2.4 縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間的方法。

C9放電時(shí)不走充電時(shí)的大電阻路徑（R1、W1），而是通過一個(gè)小電阻R5（100歐）走P2.0端口放電，平均放電時(shí)間縮小為1/26，故提高整體轉(zhuǎn)換時(shí)間。

3 改良RC模數(shù)轉(zhuǎn)換的實(shí)際案例

圖6 通用4通道遙控電路原理圖(模數(shù)轉(zhuǎn)換部分)

圖6是我廠生產(chǎn)的通用4通道遙控電路原理圖(模數(shù)轉(zhuǎn)換部分)，通過給電容C9充放電的計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)W1、W2、W3、W4共4路的模數(shù)轉(zhuǎn)換。本方案有如下特點(diǎn)：（1）為節(jié)省I/O端口及原材料，4路轉(zhuǎn)換共用一個(gè)充放電電容C9，共用一個(gè)放電電阻R5。（2）P2.0端口既為檢測(cè)C9是否已充電到高電平的檢測(cè)端口，又是C9的放電通路。（3）為縮短放電時(shí)間，提高整機(jī)運(yùn)行速度，采用100歐姆小電阻放電。（4）為了降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭力，C9采用了低成本的瓷片電容，（5）加入電阻R6作為參考通道，通過比例換算巧妙解決了電容誤差、溫度、濕度等外部環(huán)境對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響。

電容C9的充放電波形如圖7所示，前4個(gè)鋸齒波分別是W1、W2、W3、W4所在通道的充放電曲線，第5個(gè)鋸齒波是參考通道R6的充放電曲線，電位器阻值為0歐或者5K時(shí)的鋸齒波分別如第1個(gè)、第2個(gè)鋸齒波。本實(shí)例5個(gè)鋸齒波總共時(shí)長在9mS以內(nèi)，滿足航模20mS以內(nèi)的要求。

單片機(jī)時(shí)鐘采用內(nèi)部高速16MHz，4分頻，實(shí)測(cè)電路的A/D轉(zhuǎn)換精度接近10位，即1024級(jí)。

圖7 C9的充放波形圖

實(shí)例中單片機(jī)2501B的端口分配如表1所示。實(shí)例程序、流程圖中涉及的變量定義如表2所示。實(shí)例的程序流程圖如圖8所示。

表1

圖8 流程圖

表2

實(shí)例的編程過程

（1）系統(tǒng)初始化

①、各變量TR6、TWR1、TWR2、TWR3、TWR4等賦值0；②、因各通道端口通過電阻相連，為避免各通道充放電時(shí)的相互干擾，將相關(guān)端口P2.0～P2.5置為高阻模式,并全能上拉電阻。

（2）檢測(cè)參考通道值TR6，即檢測(cè)P2.1端口通過電阻R6給電容C9充飽電的時(shí)長。

第一步，P2.0端口設(shè)置為輸出模式，同時(shí)P2.0端口置0,即置為低電平，并延時(shí)1毫秒時(shí)間，讓C9上的電荷通過100歐的小電阻R5從P2.0端口快速放掉；第二步，放電完成后，P2.0端口恢復(fù)為高阻輸入模式，為檢測(cè)C9是否已充飽電做準(zhǔn)備；同時(shí)，P2.1端口設(shè)置為輸出模式，端口置1，即置為高電平，P2.1端口電流開始通過5.1K的電阻R6給電容C9充電；第三步，檢測(cè)判斷P2.0端口是否為1(高電平狀態(tài))，如果為0，表示電容C9尚未充飽電，則變量TR6的數(shù)值加上1，（TR6=TR6+1）,然后重復(fù)第三步；如果檢測(cè)P2.0的結(jié)果為1,表示P2.1端口電流已通過電阻R6給電容C9充飽電，此時(shí)TR6的大小值就是R6給電容C9的充電時(shí)長。

（3）類似于上面的3.4.2方法，檢測(cè)記錄出第1至4通道的充電時(shí)長TWR1、TWR2、TWR3、TWR4。

（4）數(shù)據(jù)處理

①根據(jù)參考通道時(shí)長TR6，修正計(jì)算出各電位器充電時(shí)長TW。

R1、R2、R3、R4為100歐的保護(hù)電阻，先算出給C9充電時(shí)100歐電阻所消耗的時(shí)長T100，TR6是5100歐（5.1k）所消耗的時(shí)長，所以5100:TR6=100:T100，T100=100＊TR6/5100，5.1k=5k+100歐，故阻值為5k時(shí)所需時(shí)間TR5K=TR6-T100。因第一通道是W1串聯(lián)R1,故TWR1=TW1+T100，得出TW1=TWR1-T100，同理，TW2=TWR2-T100，TW3=TWR3-T100，TW4=TWR4-T100。

②根據(jù)產(chǎn)品的精度要求，按比例換算出各電位器的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果ADW。

本實(shí)例的A/D轉(zhuǎn)換精度要求為256級(jí)，從0～255間變化，即TR5K等效于255，故TR5K:TW1=255:ADW1，得出電位器W1的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值A(chǔ)DW1=255＊TW1/TR5K，同 理 ADW2=255＊TW2/TR5K，ADW3=255＊TW3/TR5K，ADW4=255＊TW4/TR5K。

4 結(jié)束語

本文介紹一種經(jīng)過改良的單片機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)，其特點(diǎn)是低成本，高精度和實(shí)用性，目前本方案已應(yīng)用在遙控航模飛機(jī)、遙控汽車、遙控船、四軸飛行器等多種玩具產(chǎn)品中，數(shù)量超百萬套，產(chǎn)品已銷往世界各地，歷經(jīng)嚴(yán)寒酷暑考驗(yàn)，性能穩(wěn)定，本方案生產(chǎn)的電子產(chǎn)品，也已通過美國的FCC、歐盟的CE、RTTE、日本的PSE認(rèn)證。本方案的物美價(jià)廉，成功幫助所在電子廠在激烈的市場(chǎng)中保持競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)。