PWM实现ADC和DAC

PWM实现ADC和DAC

一、PWM实现AD

利用普通单片机的2个IO及一个运算放大器即可实现AD转换电路，而且很容易扩展成多通道。其占用资源少，成本低，AD 转换精度可以达到8位甚至更高，因此具有一定的实用价值。

 

1.1 硬件电路说明

图一中“RA0”和“RA1”为单片机的两个I/O脚，分别将其设置为输出与输入状态，在进行A/D转换时，在程序中通过软 件产生PWM，由RA0脚送出预设占空比的PWM波形。RA1脚用于检测比较器输出端的状态。 R1、C1构成滤波电路，对RA0脚送出的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点产 生稳定的电压值，其电压值U1=VDD*D1/（D1+D2），若单片机的工作电压为稳定的+5V，则U1=5V*D1/（D1+D2）。 图一中的LM324作为比较器使用，其输入负端的U1电压与输入正端的模拟量电压值进行比较，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。

1.2 AD转换过程

如果使RA0输出PWM波形，其占空比由小到大逐渐变化，则U1的电压会由小到大逐渐变化，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，因此可以认为在该变化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固定时，其电压值取决于PWM波形的占空比，而PWM的占空比由单片机软件 内部用于控制PWM输出的寄存器值决定，若软件中用1个8位寄存器A来存放RA0输出的PWM的占空比值D1，因此在RA1检测 到由“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转换结果为8位。如果用16位寄存器来作 输出PWM的占空比，则A/D转换值可达到16位。

1.3如何减少AD转换的误差

AD转换的误差主要由以下几个方面决定，分别说明如下：

（1）单片机的电源电压VDD：在该A/D转换中，VDD电压是造成A/D转换误差的主要原因，如果使VDD电压精度做到较高， 则A/D转换误差可以做到很小，在VDD电压精度为0.5%情况下，实际的A/D转换误差小于1%。

（2）软件产生的PWM占空比：若用于产生PWM的软件设计不良，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，这会导致测量误差。

（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：在R1、C1取值不当的情况下，U1处的电压纹波较大，并且延时时间不够，会使A/D转换产生误 差，因此R1、C1取值不能太小，但太大又会影响A/D转换速度，推荐使用图一中所示的R1、C1参数，在纹波合理的情况 下，其转换误差也可通过软件消除。

AD转换误差的解决办法：

（1）对VDD造成的误差，只能通过提高VDD电压精度来解决，它相当于A/D转换的基准电压。

（2）对于软件中PWM设计不良导致的误差，可修改软件进行解决。

（3）对比较器及RC滤波电路的纹波导致的误差，在软件中可通过上、下检测法进行消除，即先将PWM的占空比由小到大变化，使U1电压由低往高逐渐变化，在比较器输出端变化时记录其A/D转换值，再将PWM的占空比由大到小变化，使U1电压 由高到低变化，在比较器输出端变化时记录其A/D转换值，将两次的A/D转换值进行平均，可有效地消除这两种误差。

（4）对A/D转换值进行数字滤波，如多次转换求平均值等。数字滤波消除误差的方法很多，在此不再赘述。

1.4 如何提高AD转换的速度

由于该A/D转换是通过PWM滤波后再进行比较来完成的，其PWM的产生与滤波都需要一定的时间，因此其A/D转换速度较 慢，适用于对A/D转换速度要求不高的产品中，其A/D转换速度取决于以下几个方面：

（1）单片机的运行速度：单片机的运行速度越高则PWM的频率可以越高， RC值就可以取得越小，其延时时间也可以更 短，转换速度就更快。

（2）被测电压值的大小：由于U1电压时是由小到大逐渐加大的，当被测电压值较小时，U1电压上升到相应值的时间就越 短，完成A/D转换的速度就越快。

（3）初始占空比：初始占空比越高，U1电压较大，其上升到被测电压值的时间也就会越短，完成A/D转换的速度也就越 快。

由上所述，A/D转换的速度可以通过提高单片机的工作频率，并在预知被测电压范围时尽可能地设置较高的初始占空比值 来加快转换速度，如果所要求的A/D转换精度要求不高，还可以在软件中缩短PWM输出的延时时间来提高A/D转换速度。若 单片机带有外部电平变换中断和定时器中断，其A/D转换的精度和速度还可以得到提高。

二、PWM实现DA

利用同样的原理，可使该电路很容易的只用单片机的一个I/O脚实现D/A转换功能。

其输出的模拟量电压Vout=VDD*D1/ （D1+D2）。该输出电压带有纹波，当RC值足够大时，该纹波值几乎为零，可忽略不计。如图2所示。

为进一步减小纹波，可使用两级RC滤波。 此处LM324作为一个跟随器，提高电路的负载能力。