1、PIC16C62×系列單片機的特點(diǎn)

PIC16C62×系列為RISC精簡(jiǎn)指令、哈佛結構總線(xiàn)、18個(gè)引腳的單片機。具有低功耗、高性能、全靜態(tài)、35條指令極易編程的特點(diǎn)。OTP 片種的性?xún)r(jià)比極高。除了具備一般單片機的特點(diǎn)外，PIC16C62×系列內部集成了兩個(gè)模擬比較器和一個(gè)4bit的可編程基準電壓源(REF)。如果利用該單片機的這些特點(diǎn)，只需幾個(gè)外圍元件就具備A/D與D/A轉換功能，且分辨率達到8bit～10bit。價(jià)格上的優(yōu)勢使其在工控行業(yè)、儀器儀表、家電產(chǎn)品的應用前景極為樂(lè )觀(guān)。

本文以8bit分辨率論證A/D、D/A轉換的實(shí)現方法，更高分辨率的方案完全相似，只是在編程上作小部分調整。

2、D/A轉換器

PIC16C62×系列單片機內部部分功能模塊及A/D、D/A的電路如圖1所示。

圖1 PIC16C62×部分功能模塊及轉換電路

2.1 利用內部基準源

PIC16C62×系列單片機內部基準源由一16個(gè)抽頭的電阻梯形網(wǎng)絡(luò )構成，相當于一個(gè)4bit 分辨率的D/A轉換器，該基準源由VRCON特殊功能寄存器控制。VRCON寄存器定義如下：

VREN：REF基準電壓源使能位，當VREN=1時(shí)，內部基準電壓源使能。

VROE：REF輸出選擇位，VROE=1時(shí)，REF輸出至RA2引腳。

VRR：REF段選擇，REF值可編程設定為高低兩個(gè)段輸出。

VR3~VR0：4bit REF電壓值。改變該4位的值即改變了REF的電壓值。為了后文說(shuō)明的需要，將該4位二進(jìn)制碼作如下定義：

VR= VR3VR2VR1VR0

VR-1=VR3VR2 VR1VR0-1

根據PIC16C62×的特性：

(1)當VRR=1時(shí)，低段基準電壓輸出REFL= DD*VRL/24，分辨單元VF1=DD/24。

REFL電壓值范圍為：VRL*DD/24，VRL= 0~15，表示相應的低段二進(jìn)制碼值。

(2)當VRR=0時(shí)，高段基準電壓輸出REFH=DD/4+DD*VRH/32，分辨單元VF2=DD/32。VRH=0~15，VRH表示相應的高段二進(jìn)制碼值。

REFH電壓值變化范圍為：DD/4~23*DD/32。

上述DD為PIC16C62×的供電電壓，只要在該供電端加一個(gè)簡(jiǎn)單的電源去耦電路，就能很好的保證基準電壓REF的抗噪聲要求。

由上述可見(jiàn),PIC16C62×系列單片機的內部基準源實(shí)際是一個(gè)可設定為兩個(gè)段值的4bit D/A轉換器,每個(gè)段二進(jìn)制碼值均為0~15,兩個(gè)段的分辨單元不一樣。為了設計一個(gè)8bit及以上的D/A轉換器,需將REF的范圍進(jìn)行擴展。使用 REFH值，即REFH =DD/4~23*DD/32，擴展為REFH= (DD/4-DD /32) ~23*DD/32, 向電壓低端擴展一個(gè)分辨單元值DD /32,相當于二進(jìn)制碼值VRH=0~15擴展為-1 ~15。這是實(shí)現8bit及以上D/A轉換的關(guān)鍵。VRH= -1是一個(gè)特殊條件,超出了REF取值范圍對應的二進(jìn)制碼值VRH的界限,須由低段基準電壓REFL與外圍可編程固定衰減比的電阻網(wǎng)絡(luò )實(shí)現。 PIC16C62×的內部有一個(gè)場(chǎng)效應OC門(mén)(漏極開(kāi)路門(mén))，將其接成圖1所示的應用電路。

當OC門(mén)GK導通時(shí)，衰減系數=1/(0+1) 0=2kΩ(內部固定電阻)。

當OC門(mén)GK截止時(shí)，衰減系數=1 (RA4引腳為高阻)。

場(chǎng)效應OC門(mén)通過(guò)編程對RA4引腳進(jìn)行I/O操作實(shí)現其導通與截止。

由上所述，高段VRH=-1對應的REFH基準值可由低段二進(jìn)制碼值VRL對應的REFL值乘上系數得到。

VRH=-1時(shí)，REFH=DD/4-DD/32=7DD /32，建立如下方程式

7DD /32 =(DD/24)* VRL* (1)

VRL=1~15 (取整數) (2)

K <1 (3)

可得VRL=6~15的多組解，取其中任一組解均可，例如：VRL=7，=0.75。

系數由外接電阻1的取值決定。編程時(shí)，首先確定VRL值，然后根據式(1)計算出系數，再根據=1/(0+1)、0=2kΩ 計算出1的阻值。1也可用一只電位器調整的方式代替。

2.2 編程4bit PWM實(shí)現8bit的D/A轉換

設8bit 待D/A轉換的二進(jìn)制數存放于PIC16C62×;的數據存儲器的某一單元，定義為如下格式：

將其分為兩個(gè)4bit的二進(jìn)制碼：VR=VR3VR2VR1 VR0，VP=VP3VP2VP1V P0。VR控制基準電壓源實(shí)現4bit D/A轉換，VP用于對基準源的輸出電壓進(jìn)行4bit PWM(脈寬調制)。PWM的高電平為VR對應的VREF電壓值, PWM的低電平為VR-1對應的VREF電壓值。如此，以4bit D/A轉換基準電壓源的兩個(gè)相鄰二進(jìn)制碼對應的兩個(gè)VREF值，分別作為4bit PWM的高電平和低電平，這就組成一個(gè)8bit的D/A轉換器。圖2、圖3為常規PWM與D/A+PWM的區別，常規PWM 的高電平為VDD(如5V)，低電平為0V，其原理眾所皆知，此處不再詳細敘述。本文所述的D/A+PWM其PWM的工作原理與常規PWM的工作原理一樣，只是PWM脈沖的高電平與低電平分別由VR 與VR-1的值決定。編程時(shí)，首先將待D/A轉換的8bit二進(jìn)制數分成高4位與低4位，低4位存放于PIC16C62×的某一數據存儲器R0中，高4位作4次右移(移到字節低端)存放于PIC16C62×的另一個(gè)數據存貯器R1中。利用PIC16C64×的一個(gè)定時(shí)器中斷編寫(xiě)PWM程序，PWM的占空比由R0中的值(即VP值)決定。將定時(shí)器中斷設置為最高優(yōu)先級別，以保證PWM的占空比精度。此段程序的實(shí)質(zhì)是：在由二進(jìn)制碼VP決定占空比的PWM程序中對VRCON控制寄存器進(jìn)行賦值操作。PWM脈沖的高電平由向VRCON控制寄存器低4位裝入VR產(chǎn)生，PWM脈沖的低電平由向VRCON控制寄存器低 4位裝入VR-1產(chǎn)生。程序中需判斷：當VRH=0時(shí)，VR-1對應的REF由前所述的REFL低段值實(shí)現。

OUT即為8bit 的D/A輸出。PWM的濾波電路由0、2、1組成，其時(shí)間常數根據PWM的周期選定，與具體應用中對D/A轉換要求的速度和編程有關(guān)。由于 PIC16C62×的高速RISC精簡(jiǎn)指令，D/A轉換速度可達到400Kbit /s以上。DD的溫漂要求盡量小。OUT可根據需要進(jìn)行放大或電平變換。

3 A/D轉換器

如圖1所示，把前述D/A轉換輸出的OUT模擬信號接到PIC16C62×內部的一個(gè)比較器的同相端，待轉換模擬信號接到比較器的反相端，這就構成一個(gè)典型的逐次逼近型A/D轉換器。其原理在許多教科書(shū)里講得非常清楚，本文不再詳述。

由于PIC16C62×具有比較器中斷功能，充分利用比較器中斷可提高編程效率及提高A/D轉換速度。定義一個(gè)PIC16C62×的數據存儲器單元作為A/D轉換結果數據寄存器，啟動(dòng)A/D轉換之前在此寄存器內預置一個(gè)經(jīng)驗數據，采用前述D/A轉換的方法將此數據轉換成OUT電平，OUT電平與待轉換模擬信號電平進(jìn)行比較。比較器的同相端電平高于反相端電平時(shí)，比較器輸出邏輯“1”，并產(chǎn)生一次中斷。比較器的同相端電平低于反相端電平時(shí)，比較器輸出邏輯“0”，也產(chǎn)生一次中斷。比較器輸出邏輯狀態(tài)“1”或“0”可從其特殊功能寄存器的相關(guān)位查詢(xún)獲取。在比較器中斷程序中，根據查詢(xún)結果逐次修改“A/D轉換結果數據寄存器”中的數據，使OUT電平逐次逼近并最終收斂于待轉換模擬信號電平，收斂時(shí)數據寄存器中的值即為A/D轉換結果。收斂算法的優(yōu)劣是提高A/D轉換速度的關(guān)鍵，這與具體應用場(chǎng)合及外圍電路參數相關(guān)。不過(guò)，大多數家電產(chǎn)品應用中被轉換的模擬信號為低速緩慢變化信號，對A/D轉換速度的要求并不高。因此，對收斂算法的要求不高，通常采用從MSB至LSB逐次進(jìn)行比較的算法。另外，待轉換模擬信號須經(jīng)過(guò)電平變換，使其變化范圍與OUT電平的變化范圍相一致。

4 小結

PIC16C62×;系列單片機內部有兩個(gè)獨立的模擬比較器，并且其數字I/O口具備直接驅動(dòng)發(fā)光二極管與LED數碼管的能力。采用本文所述的 A/D、D/A轉換器原理的應用電路只占用其內部一個(gè)模擬比較器、一個(gè)基準源、4個(gè)引腳的資源，外圍電路也很簡(jiǎn)單，應用系統容易做到體積小、可靠性高、性?xún)r(jià)比好 。缺點(diǎn)是A/D、D/A的轉換速度較慢并占用單片機的大量時(shí)間資源，適合于低速變化的信號應用。