基于单片机Ｉ／Ｏ口实现Ａ／Ｄ转换方法※
周渡海１，何此昂２
（１．北京建筑工程学院电信学院，北京１０００４４；２．华中科技大学电气学院）
引　言
在某些特定的场合（主要是在数字电子应用方面），需
要一个模拟信号输入来进行一些基本模拟量的测量，或者
是提供可控的方式使用外部电位器。像这样的需求，由一
个内置Ａ／Ｄ（模／数）转换器的单片机就能很好地实现；当
然，也可以使用一些经济的外部器件，由一个标准的数字
Ｉ／Ｏ口来实现简单的Ａ／Ｄ转换功能。本文以Ｈｏｌｔｅｋ系列
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单片机为对象，介绍使用标准的施密特输入口或ＣＭＯＳ
Ｉ／Ｏ作为基本Ａ／Ｄ转换口的使用方法，为对Ａ／Ｄ转换精
度要求不高的应用提供了一种低成本的Ａ／Ｄ转换实用
方案。
１　Ｉ／Ｏ口Ａ／Ｄ转换原理
Ｉ／Ｏ口Ａ／Ｄ转换的原理是：对某一电容充电达到某
个固定的电压值，然后以恒定电流进行放电，通过测量放
电时间来获得当前输入信号的强弱。通过设置Ｉ／Ｏ口为
输出高电平可以迅速地对电容进行充电，在输出口与电容
之间建议串接一个１００Ω的小电阻来限流，防止大电流损
坏。电容充电的表达公式如下：
ＶＣ＝ＶＯ（１－ｅｔ／ＲＣ）
式中：Ｖ
Ｃ是电容电压，Ｖ
Ｏ
是Ｉ／Ｏ口输出电压（与单片机实
际工作电压有关）。将输出口置高开始对电容充电后仅需短时间的延时，充电电压即可达到Ｖ
Ｏ
的９８％（这里需要的时间大约为３９μｓ）。充电过程完成后，即可将控制口设置为输入状态。这是因为其输入状态为高阻态，此时电容就只能通过三极管的发射极对地以恒定的电流放电。电流大小与发射极上串联的电阻有关，改变放电电流的大小即可改变放电斜率。
电流大小与电容电量之间的关系式如下：
Ｉ＝Ｃ·ｄＶｄｔ
式中：Ｃ是元件的电容，单位是Ｆ；ｄＶ／ｄｔ是电容上的电压变化率，单位是Ｖ／ｓ；Ｉ是流过电容的电流，单位为Ａ。如图１所示，如果流经电容的电流是恒定的，那么充电时电容电压上升的速率也是恒定的。也就是说，对电容的充放电曲线的斜率是由电容参数值和充放电电流值决定的，电压的变化率ｄＶ／ｄｔ等于１／Ｃ
。
图１　电量与充放电时间关系图
在放电时，如果电容与一个ＣＭＯＳ输入端相连接，那么随着电容电压幅度的减小，当其幅度降低到ＣＭＯＳ输入的开关极限值时，ＣＭＯＳ输入端将从高电平变为低电平。使用内部定时器／计数器从放电周期开始对输入端进行监测。当输入端出现下降沿时，如果定时器／计数器停止计数，则定时器寄存器的剩余值是与放电电流成比例的。放电电流大小是由发射极的两个电阻决定的，其中一个电阻是电位器
。
图２　硬件设计图
２　硬件设计
硬件电路由极少的标准元器件组成，如图２所示。用一个红的ＬＥＤ（Ｄ１）提供一个大约１．８Ｖ的参考电压，同时具有上电指示的功能（也可使用不同颜的ＬＥＤ或串联几个低功耗的二极管，如１Ｎ４１４８）。ＬＥＤ的正向电压与Ｑ１（２Ｎ２２２２）基极到射极之间的电压相减，便得出串联电阻Ｒ１和Ｒ２上的电压，从而在Ｑ１的发射极产生一个恒流源。这将在Ｑ１的集电极产生一个恒定的电流，该电流即为放电电流。三极管的集电极电流同基极电流的关
系，是由三极管的放大倍数值决定的，与外部电路的精确
度无关。几乎所有的ＮＰＮ型三极管都可以应用到该电路中。单片机的Ｉ／Ｏ引脚经一个１００Ω的电阻与电容Ｃ１连接，当充电时，这个电阻对电容具有限流保护作用。在放电期间，Ｉ／Ｏ口具有高输入阻抗，所以不会影响Ａ／Ｄ转换的精确度。Ｒ１的作用是当Ｒ２电位计在最小值时，确保三极管Ｑ１工作在非饱和区，并维持电流源工作。如果Ｒ１为１．２ｋΩ，那么提供的电流源的值大约为１ｍＡ，选取较小的电阻值以便于计算。选取Ｒ２为１０ｋΩ的目的是，当其在较大值时可降低功耗，并且可以防止外界干扰。
使用Ｈｏｌｔｅｋ公司的ＨＴ４８Ｆ０６Ｅ的Ｆｌａｓｈ　Ｉ／Ｏ型单片机来设计Ｉ／Ｏ口Ａ／Ｄ输入方式。事实上任何一款带有施密特触发、ＣＭＯＳ　Ｉ／Ｏ结构的Ｈｏｌｔｅｋ单片机都可以使用。注意，ＮＭＯＳ型Ｉ／Ｏ引脚不适合于该应用。如果电容放电电压的下降沿下降得相对比较缓慢，非施密特型的ＣＭＯＳ输入也不适用于该应用，因为缓慢的下降沿输入在电压降到门限电压时不能产生一个明确的逻辑转换。检查电路将会发现，电容电压从Ｖ
ｄｄ
开始放电到输入引脚的
门限电压Ｖ
ｔｈ
之间的时间，可由电压的变化量除以电压的变化率求得。方程式如下：
Ｔｉｍｅ＝（Ｖ
ｄｄ－Ｖｔｈ
）·Ｃ
Ｉ
式中：Ｖ
ｔｈ
是输入引脚的门限电压值，Ｃ是电容值，Ｉ是恒定
的放电电流值。Ｉ可由三极管Ｑ１发射极的电压Ｖ
ｅ
除以Ｒ２与Ｒ３之和得出，代入方程式可得出：
Ｔｉｍｅ＝（Ｖ
ｄｄ－Ｖｔｈ
）（Ｒ
２＋Ｒ３
）
Ｃ
Ｖｅ
式中：Ｖ
ｅ
是发射极电压值，它可由ＬＥＤ的正向电压减去
三极管的Ｖ
ｂｅ
得出。
３　软件设计
Ａ／Ｄ转换编码很简单，它是由连续地对电容充放电来实现的。对电容充电，通过设置Ｉ／Ｏ为输出，并设置一个较长的固定时间周期以确保电容满充。一个１００ｎＦ的电容和一个１００Ω的电阻可以达到１０μｓ的固定时间周期，它可以作为一个计算合适充电时间的标准。对电容充电的合适时间应不小
于１０倍的ＲＣ充电时间常数。当Ｉ／Ｏ口由低输出变为高输入状态，放电过程即可开始，同时定时计数器也开始计时。该系统使用３．５８ＭＨｚ的晶振，如果设置定时器预分频器的值为１６，将得到一个约４．４７μｓ的时钟周期。此时，ＴＭＲ寄存器的溢出周期为（２５５×４．４７μｓ）＝１．１４ｍｓ。若该溢出周期远小于电容由满充到输入门限电压值的放电时间，Ａ／Ｄ转换值将会是大于８位二进制的数据。如果增加预分频器值到６４，将会得到一个足够长的时钟周期，允许Ａ／Ｄ转换值在８位（即２５５）
以内。软件设计流程如图３所示
。
图３　软件设计流程
由于Ｈｏｌｔｅｋ单片机的指令和处理方式与很多公司（如Ａｔｍｅｌ、ＴＩ、ＮＸＰ等）的微处理器类似，所以Ｈｏｌｔｅｋ单片机程序可以很方便移植到各类单片机中。
编者注：源代码见本刊网站ｗｗｗ．ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ
。
图４　实际测试波形
４　实验验证
图４为使用泰克公司示波器测试的电容两端的电压波形。可以清楚地看到电容充电整个过程的指数上升曲线。上升时间比预计值长，这可能是由于单片机ＣＭＯＳ输出口的电压驱动能力没有理想中的好。这一点在充电周期起始阶段、充电电流值比较大时，表现得尤为明显。注意，电流源将不断地从ＣＭＯＳ输出口吸收电流，这对上升时间产生一些影响，可通过在电容充电时加一个较长延时来解决。这条曲线表明，在这个范例中，允许电容充电时间的编程值明显长于所必需的时间，并且可以缩短整个Ａ／Ｄ转换的时间。至于比较重要的放电斜率，尽管没有测量，但看起来线性度非常好。施密特触发Ｉ／Ｏ输入口的转换也很明显，而且没有检测到干扰信号。另外，由高到低变化的门限电压值为１．６２Ｖ，这个值依赖于处理过程，而且随着选择的芯片不同而有所变化，它对Ａ／Ｄ转换值有着重要的影响。
由于该应用范例只是提供一个Ａ／Ｄ转换的基本形式，因此不适用于精确的测量，只适用于转换精度有限的领域。绝对误差的主要来源在于所使用电容的实际值和输入电压的门限值。尽管使用的电容为０．
１μＦ，但它的容限可能会大。如果采用软件校准对绝对误差进行补偿，那么将获得一个合理的精确度。另外，还存在一些小误差，其中一个就是电容放电时，由于三极管Ｖ
ｃｅ
电压值不断变化引起的放电电流的微弱变化。其他误差可能是由不很理想的电源电压引入的。注意：要确保没有上拉电阻与Ｉ／Ｏ引脚相连，否则将会产生误差，影响到放电斜率的线性度，尤其在放电电流较小的情况下。
结　语
本文介绍如何用一个标准逻辑Ｉ／Ｏ引脚与内部定时器／计数器，以及一些低成本的器件来实现Ａ／Ｄ转换功能。虽然不是针对高精度的Ａ／Ｄ转换应用，但这个构思实际上可以实施于低分辨率、低成本的Ａ／Ｄ转换功能。在示波器曲线上随意测量放电斜率，虽然测量方式比较简单，但可以看到很好的线性度。目前，只使用了一个Ｉ／Ｏ引脚，但很容易应用于多通道模拟输入。本文使用一个电位计提供模拟信号输入，也可以用一个固定电阻来代替，并使用一个缓冲电压源与三极管的基极连接，从而来提供模拟信号的输入。虽然这个电压源可以用来控制放电电流，但是对三极管保持导通并工作在线性区域的输入电压范围加大了限制。使用外部中断作为模拟测量输入脚，可以实现更高效率的程序代码，在Ａ／Ｄ转换过程中程序可以继续执行其他的任务。
本文介绍的方法可以广泛地应用于低成本的温度检测场合，诸如室外温度计、电热水器温度检测、空调温度监测等场合，具有一定的实用价值
。
参考文献
［１］何此昂，等．Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ　０８系列单片机开发与应用实例［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００９．
（收修改稿日期：２０１０－０４－０１）
ＭＩＰＳ推出针对ＭＩＰＳ　Ｂａｓｅｄ设备的Ｓｋｙｐｅ参考方案
美普思科技公司（ＭＩＰＳ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）宣布，新推出的ＳｋｙｐｅＫｉｔ开发工具可提供ＭＩＰＳ架构对Ｓｋｙｐｅ的支持。通过ＳｋｙｐｅＫｉｔ封闭测试（ｂｅｔａ）计划，ＭＩＰＳ科技在数字家庭领先的ＭＩＰＳ架构上开发出了Ｓｋｙｐｅ参考方案。
Ｓｋｙｐｅ是个人和企业使用的一种软件，可用来与其他Ｓｋｙｐｅ用户进行视频和语音通话、发送即时消息及共享文件。开发人员现在可以在ＤＴＶ、机顶盒和数字媒体配接器等ＭＩＰＳ－Ｂａｓｅｄ设备上建立Ｓｋｙｐｅ功能。
Ｓｋｙｐｅ能为授权客户的新一代连网设备提供又一个重要功能。通过参与ＳｋｙｐｅＫｉｔ测试计划，现在我们的授权客户及其客户能够开发Ｓｋｙｐｅ解决方案，让全球的Ｓｋｙｐｅ用户实现在各种ＭＩＰＳ－Ｂａｓｅｄ产品上的沟通。ＭＩＰＳ架构提供了卓越的性能与功耗优势。这些优势，加上ＭＩＰＳ目前在Ｓｋｙｐｅ、Ａｎｄｒｏｉｄ、Ａｄｏｂｅ　Ｆｌａｓｈ　Ｐｌａｙｅｒ　１０．１、Ｙａｈｏｏ！ＴＶ　Ｗｉｄ－ｇｅｔ等平台上的开发工作，能够帮助客户快速且轻松地创建新一代的创新ＳｏＣ。
英飞凌推出高灵敏度、低功耗的汽车和
消费类电子应用无线接收器
英飞凌科技股份公司推出具备最高灵敏度和低功耗特性的三款增强型无线控制接收器。ＴＤＡ５２４０、ＴＤＡ５２３５和ＴＤＡ５２２５支持多频段（３１５ＭＨｚ、４３４ＭＨｚ、８６８ＭＨｚ和９１５ＭＨｚ），可实现全球覆盖，十分适用于不同的汽车应用，包括远程无钥匙进入（ＲＫＥ）系统、胎压监控系统（ＴＰＭＳ）、远程启动、控制、状态与报警功能。此外，这种高度集成的无线控制器件
也会使工业和消费类电子系统受益匪浅，例如短程无线数据传输设备、车库开门器、无线报警系统、远程抄表和低功耗遥测设备。该接收器还能够完成通常由系统微控制器执行的某些任务。
ＴＤＡ５２４０、ＴＤＡ５２３５和ＴＤＡ５３２５是ＴＤＡ５２３０／３１接收器系列之后的新产品。其中两款器件具备ＴＤＡ５２３０／３１的功能强大的数字处理功能，并在性能和特性方面实现了全面增强。目前，这些器件还集成了中频滤波器（可选用外置滤波器）和电平转换器，只需少数几个外置组件，降低了物料成本。创新的集成低噪放大器（ＬＮＡ）概念为系统开发人员提供了增强型产品设计选件。取决于具体应用需求，该低噪放大器可扩大系统的有效传输距离，或避免采用外置低噪放大器，从而降低系统复杂度和成本。

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