STC8A8K64S4A12系列單片機(jī)DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器講解

前言

今天介紹下STC8A8K64S4A12系列單片機(jī)DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換原理及RC積分電路原理，掌握掌握STC8A8K64S4A12系列單片機(jī)實現(xiàn)DAC功能的硬件和軟件設(shè)計。

一、硬件設(shè)計

1.DAC概念介紹

DAC
(全稱是DigitaltoAnalogConvertor)數(shù)模轉(zhuǎn)換器是一種將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號(以電流、電壓或電荷的形式)的設(shè)備，在很多數(shù)字系統(tǒng)中(例如計算機(jī)、單片機(jī))，信號以數(shù)字方式(0或者1)存儲和傳輸，而數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC可以將這樣的信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，從而使得他們能夠被外界(人或其他非數(shù)字系統(tǒng))識別。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的常見用法是在音樂播放器中將數(shù)字形式存儲的音頻信號輸出為模擬的聲音。有的電視機(jī)的顯像也有類似的過程。數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC有時會降低原有模擬信號的精度，因此轉(zhuǎn)換細(xì)節(jié)常常需要篩選，使得誤差可以忽略。

DAC有幾個常見且重要的性能參數(shù)，如分辨率、線性度、建立時間、絕對精度和相對精度等。這里簡單說下分辨率和線性度的概念。DAC的分辨率是輸入數(shù)字量的最低有效位(LSB)發(fā)生變化時，所對應(yīng)的輸出模擬量(電壓或電流)的變化量。其反映了輸出模擬量的最小變化值。DAC的線性度(也稱非線性誤差)是實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想直線特性之間的最大偏差。常以相對于滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。

現(xiàn)市場上越來越多的MCU芯片內(nèi)部會集成DAC外設(shè)，也有專用DAC芯片，包括一些音頻芯片都屬于DAC芯片，比如PCM5102A等。說到單片機(jī)DAC外設(shè)，一定會給出這個DAC外設(shè)是多少位的，比如單片機(jī)片內(nèi)有16位DAC，就意味著數(shù)字信號的范圍是065535，假設(shè)該DAC輸出是03.3V的電壓型模擬信號，那DAC轉(zhuǎn)換可分辨的最小電壓(分辨率)就是3300mV/65535=0.05mV，這也就意味DAC數(shù)字信號輸出有1bit的抖動，那么實際輸出的模擬信號就有0.05mV的偏差。

DAC核心部分是由R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)(也稱倒T型電阻網(wǎng)絡(luò))、模擬開關(guān)和運(yùn)算放大器所組成。這里之所以說核心部分是因為有些專用DAC芯片，比如音頻芯片可能還有I2S接口相關(guān)的外圍電路等。下面簡單介紹下倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。解析這個原理圖時我們必須知道戴維南等效電源定理，然后從右側(cè)向左去等效可分析出I7是I的1/2，I6是I的1/4，I5是I的1/8，I4是I的1/16，I3是I的1/32，I2是I的1/64，I1是I的1/128，I0是I的1/256，如此每一位都發(fā)揮了有效的位權(quán)，輸出電壓有256種變化，該T型電阻網(wǎng)絡(luò)等效輸出表達(dá)式為D0Vref/256+D1Vref/128+D2Vref/64+D3Vref/32+D4Vref/16+D5Vref/8+D6Vref/4+D7Vref/2。

圖1：T型電阻網(wǎng)絡(luò)示意圖

☆注：本T型電阻網(wǎng)絡(luò)是8位DAC舉例，若是10位、12位、16位依次按此方法增加R電阻和2R電阻電路部分。

2.開發(fā)板DAC硬件電路介紹

STC8A8K64S4A12系列單片機(jī)內(nèi)部沒有集成DAC外設(shè)，所以STC8A8K64S4A12開發(fā)板實現(xiàn)DAC轉(zhuǎn)換是基于將高速PWM信號通過RC電路整合成比較平緩的電壓信號作為模擬輸出，而改變高速PWM信號的占空比可改變輸出電平信號的幅值。為了達(dá)到比較理想的電壓信號輸出，P7.0口輸出的PWM信號經(jīng)2級RC電路整合，如下圖。

圖2：開發(fā)板DAC轉(zhuǎn)換電路

☆注：開發(fā)板J27端子需使用短路帽短接P06||DAC_O和P70||DAC_I，并且將J27端子的P06||ADC和P70||DHT11短路帽去掉。

DAC電路占用的單片機(jī)的引腳如下表：

表1：DAC電路引腳分配

注：非獨立GPIO表示開發(fā)板有其他的電路使用這個GPIO。

RC積分電路簡介

由電阻R和電容C構(gòu)成的電路稱為阻容電路，簡稱RC電路。RC電路是電子電路中非常常見的一種電路，但RC電路的種類和變化很多，首先我們介紹下RC積分電路。

在RC電路分析中，有時要用到時間常數(shù)這一概念。時間常數(shù)為電容量與電阻值的乘積。在電容量大小不變時，電阻值決定了時間常數(shù)的大小。電阻值不變時，電容量的大小決定了時間常數(shù)的大小。輸入信號加在電阻R1上，輸出信號取自電容C1。輸入信號是矩形脈沖，在積分電路中，要求RC電路中的時間常數(shù)遠(yuǎn)大于脈沖寬度。

圖3：RC積分電路分析示意圖

☆注：RC積分電路的作用是：消減變化量，突出不變量。故RC積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波，還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。

RC積分電路的條件是時間常數(shù)遠(yuǎn)大于輸入信號的脈沖寬度，STC8A8K64S4A12開發(fā)板的RC電路中，R1取值3.3K、C1取值100nF，可計算時間常數(shù)為R1C1=3.3KΩ10010-9F=3.310-4。如果時間常數(shù)遠(yuǎn)大于輸入信號的脈沖周期，則也一定滿足RC積分電路的條件。換句話說如果時間常數(shù)的倒數(shù)遠(yuǎn)小于輸入信號的頻率，則也一定滿足RC積分電路的條件。時間常數(shù)的倒數(shù)可計算出為3.3*10-4的倒數(shù)約為3030，所以輸入信號的頻率只要遠(yuǎn)大于3.03KHZ即可滿足積分電路的條件(一般按照10倍來作為基本條件)。

STC8A8K64S4A12開發(fā)板控制P7.0口輸出PWM信號的頻率約是43.2KHZ(具體不詳述)，該頻率滿足RC積分電路的條件，所以可將P7.0口輸出的PWM信號整合成比較平緩的電壓信號(可使用示波器輔助測量之)。又因為單片機(jī)控制P7.0口輸出的PWM信號頻率不變、占空比變化，所以最后整合出的電壓信號的幅值會不同，從而實現(xiàn)輸出不同模擬量的目的。

RC微分電路簡介

RC微分電路和RC積分電路在電路形式上相近，RC微分電路輸出電壓取自電阻，而且RC時間常數(shù)與積分電路不同。RC微分電路中，要求RC時間常數(shù)遠(yuǎn)小于輸入信號的脈沖寬度。如下圖所示。

圖4：RC微分電路分析示意圖

注：RC微分電路的作用是：消減不變量，突出變化量。故RC微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波，電路的輸出波形只反映輸入波形的突變，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。而對恒定部分則沒有輸出。

除了上面描述的RC微分電路和RC積分電路，RC電路還有很多不同應(yīng)用，比如RC耦合電路、RC脈沖分壓器以及RC濾波電路等。

二、軟件設(shè)計

1.DAC檢測 - 串口調(diào)試助手實驗

1.1.工程需要用到的c文件

本例需要用到的c文件如下表所示，工程需要添加下表中的c文件。

表2：實驗需要用到的c文件

1.2.頭文件引用和路徑設(shè)置

需要引用的頭文件

#include "delay.h"  
#include "uart.h"  
#include "adc.h"  
#include "pca.h" 

需要包含的頭文件路徑

本例需要包含的頭文件路徑如下表：

表3：頭文件包含路徑

MDK中點擊魔術(shù)棒，打開工程配置窗口，按照下圖所示添加頭文件包含路徑。

圖5：添加頭文件包含路徑

1.3.編寫代碼

首先，在adc.c文件中編寫操作ADC外設(shè)會用到的函數(shù)，如下表所示。

表4：ADC操作函數(shù)匯集

關(guān)于上面2個ADC基本操作函數(shù)，下面詳細(xì)給出代碼。

程序清單：ADC口初始化函數(shù)

/************************************************************************** 
功能描述：ADC口初始化 
入口參數(shù)：無 
返回值：無 
 *************************************************************************/  
void    ADC_config(void)  
{     
    ADC_CONTR|=0x80;        //開AD轉(zhuǎn)換電源  
    delay_ms(10);           //適當(dāng)延時等待AD轉(zhuǎn)換供電穩(wěn)定  
    ADC_CONTR|=0x0E;              //選擇P0.6作為模擬功能AD使用  
    ADC_CONTR&=0xFE;              //選擇P0.6作為模擬功能AD使用  
      
    ADCCFG&=0xFC;             //AD轉(zhuǎn)換速度為416個時鐘數(shù)轉(zhuǎn)換一次  
    ADCCFG|=0x0C;             //AD轉(zhuǎn)換速度為416個時鐘數(shù)轉(zhuǎn)換一次  
    ADC_CONTR&=0xDF;          //清AD轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志  
          
    EADC=0;                   //禁止ADC轉(zhuǎn)換中斷  
    ADCCFG|=0x20;             //ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果ADC_RES存高4位，ADC_RESL存低8位  
    ADC_CONTR|=0x40;          //啟動AD轉(zhuǎn)換，ADC_START=1  
}

程序清單：讀取ADC轉(zhuǎn)換原始值函數(shù)

/************************************** 
功能描述：ADC口檢測AD轉(zhuǎn)換值函數(shù) 
入口參數(shù)：無 
返回值：ADC 12位數(shù)據(jù) 
***************************************/  
uint16  Get_ADC12bitResult(void)      
{  
    uint16  AD_Dat=0;  
  ADC_CONTR&=0xDF;          // 將ADC_FLAG清0  
    ADC_CONTR&=0xBF;        //關(guān)閉AD轉(zhuǎn)換，ADC_START=0  
    //12位AD結(jié)果的高4位放ADC_RES的低4位，低8位在ADC_RESL  
    AD_Dat = ADC_RES;              //將ADC_RES低4位移到應(yīng)在的第9位至第12位  
    AD_Dat 

程序清單：PCA初始化函數(shù)

/************************************************************************** 
功能描述：PCA初始化 
入口參數(shù)：無 
返回值：無 
 *************************************************************************/  
void PCAInit(void)  
{  
    P_SW1 &= 0xEF;                  //選擇PCA模塊0為引腳P7.0，選擇PCA模塊1為引腳P7.1  
    P_SW1 |= 0x20;                  //選擇PCA模塊2為引腳P7.2，選擇PCA模塊3為引腳P7.3  
      
    CCON = 0x00;                    //CF、CR、CCF1、CCF0位均清零  
    CMOD &= 0x7F;                   //CIDL位置0，空閑模式下PCA計數(shù)器仍然工作  
    CMOD &= 0xF1;                   //CP2、CP1、CP0設(shè)置為100，PCA時鐘源選擇為系統(tǒng)時鐘  
    CMOD |= 0x08;                   //CP2、CP1、CP0設(shè)置為100，PCA時鐘源選擇為系統(tǒng)時鐘  
    CMOD &= 0xFE;                   //ECF位置0，禁止寄存器CCON中CF位中斷（禁止PCA計時中斷）  
    CL = 0x00;                      //PCA計數(shù)器賦初值  
    CH = 0x00;                      //PCA計數(shù)器賦初值  
    //PCA模塊0初始化部分  
    CCAPM0 |= 0x40;                 //ECOM0位置1，允許比較器功能  
    CCAPM0 &= 0xDF;                 //CAPP0位置0，禁止上升沿捕獲  
    CCAPM0 &= 0xEF;                 //CAPN0位置0，禁止下降沿捕獲  
    CCAPM0 &= 0xF7;                 //MAT0位置0，禁止匹配控制位  
    CCAPM0 &= 0xFB;                 //TOG0位置0，禁止翻轉(zhuǎn)控制位  
    CCAPM0 |= 0x02;                 //PWM0位置1，開啟PWM模式  
    CCAPM0 &= 0xFE;                 //ECCF0位置0，禁止CCF0中斷  
      
    PCA_PWM0 &= 0x3F;               //PCA模塊0工作于8位PWM功能  
    PCA_PWM0 &= 0xFC;                       //EPC0H位和EPC0L位置0  
    CCAP0L = 0x00;                  //PCA比較值寄存器賦初值      
      
    CR = 1;                         //啟動PCA計數(shù)器陣列計數(shù)  
} 

最后，在主函數(shù)中對串口1進(jìn)行初始化，主循環(huán)中每200ms通過串口1發(fā)送讀取的端口P06的ADC原始值信息。

代碼清單：主函數(shù)

int main()  
{  
    uint16  TempData=0;  
    P3M1 &= 0xFE;   P3M0 &= 0xFE;                     //設(shè)置P3.0為準(zhǔn)雙向口 
    P3M1 &= 0xFD;   P3M0 |= 0x02;                      //設(shè)置P3.1為推挽輸出  
      
    PCAInit();                                    //PCA初始化   
    ADC_config();                             //ADC初始化   
    Uart1_Init();                                //串口1初始化    
    EA = 1;                                       //使能總中斷  
  delay_ms(10);                               //初始化后延時  
      
  while (1)  
    {  
        TempData++;  
        CCAP0H = (uint8)(256 - TempData);           //P7.0引腳輸出頻率不變但占空比不斷變化的脈沖信號  
        if(TempData>138)                                   //占空比達(dá)到很大時重新設(shè)定占空比                             
            TempData=1;       
        delay_ms(20);   
        printf("\r\n ADC_P06端口原始值： %d\r\n",Get_ADC12bitResult());  //串口打印上傳的采集的原始值  
        delay_ms(200);   
    }  
} 

1.4.硬件連接

圖6：開發(fā)板連接圖

總結(jié)

以上是今天要講的內(nèi)容，希望對大家有幫助，如果有啥不明白的，歡迎討論哦!