使用 PIC16C54 实现模数转换 AN513 作者 : 简介 本应用笔记介绍了一种使用 PIC16C5X 系列单片机实现模数转换 (Analog to Digital,A/D) 的方法 仅需 5 个外部元件即可实现该转换器, 且可通过软硬件配置使转换分辩率达到 6 到 10 位且转换时间不短于 250 µs 这一方法可用于电压和电流转换且使用软件校准技术来补偿由于时间和温度漂移以及元件误差造成的精度误差 PIC16C5X 单片机是实现简单模拟应用的理想器件, 这是因为 : 很低的成本 所需外部元件较少 完全可编程 PIC16C5X 系列单片机为一次性可编程 (One-Time-Programmable, OTP) EPROM 器件 代理商处有现货供应 软件校准方式提高了测量精度 使用休眠模式可节省功耗 输出引脚具有较大拉 / 灌电流能力, 可直接驱动 LED 工作原理 Doug Cox Microchip Technology Inc. 该应用使用容性充电电路 ( 图 1) 将输入电压转换为对应的时间值, 从而可使用单片机方便地对其进行测量 首先, 将基准电压作为输入电压施加给电流转换器 (U1) 图 2 显示了其等效电路 这一电路可提供随输入电压线性变化的电流, 而不会出现将输入电压直接施加给 RC 造成伏频特性呈对数关系的现象 电容 C 将被充电直至其电压达到芯片输入门限电压 这一过程产生软件校准值, 用于对大多数电路误差进行校准, 这些误差包括电阻和电容的值不准确 输入门限电压变化和温度变化 在对软件校准值进行测量后, 将对电容进行放电 ( 图 3), 输入电压将施加到 VIN 对输入电压上升至门限电压的持续时间进行测量并将其与校准值进行比较以确定实际输入电压 图 1: 图 2: 图 3: 伏特计 A/D 转换器 S1 1 2 13 4 5 S2 3 5 6 4066 U1 8 6 9 3 T0CKI S3 10 12 S4 11 17 RA0 R C R 100Ω PIC16C54 伏特计测量阶段 V VO V I C RI 伏特计放电阶段 V VO V C RI 2007 Microchip Technology Inc. DS00513D_CN 第 1 页
电路结构 根据所需分辨率的位数来选择 R 和 C 的值 其中 : VI T RC = (VI T)/VT = 要测量的最低电压 ( 至少 10 个 LSb) = 处理期望分辨率位数所需的时间 VT = 使用的 PIC16C5X 输入门限电压 RC 实际值应比计算值稍小以确保 PIC16C5X 在测量过程中不会过多计数 举例来说, 如果输入电压为 3V 所需的分辨率为 8 位 时钟频率为 8 MHz 且每个计数周期为 6 个指令周期, 则 : VI = 100 mv T = 256 1/8 MHz 4 个时钟 / 周期 6 个周期 = 768 µs VT = 3.0V ( 估算值 ) 对于输入电压大于 3V 的场合, 需要通过一个电阻分压网络来使 VIN 引脚上的最大电压小于 3V 为实现最佳性能, 基准电压应保持在 2V 和 3V 之间 此电路也可用作电流模式 A/D 转换器 此时, 无需对电流转换器施加输入电压, 基准电流和输入电流全都将通过模拟开关直接连接至电容 电路性能 校准周期将消除除基准电压漂移之外的所有一阶误差 ( 偏移量 增益 R 和 C 不准确 供电电压和温度 ) 在校准和测量之间, 基准电压发生的任何变化包括噪声都将导致测量误差 其他可能引起误差的来源是模拟开关漏电流 电阻和电容非线性 输入门限值的不确定性和时间测量的不确定性 ( 大于或小于一个指令周期 ) 性能测量结果显示转换器的精度为满量程的 ±1% 实例附录 A 中列出了实现图 1 电路功能的汇编代码 该代码最多可测量处理 16 位所需的时间且使用 16 位的乘 除子程序来计算结果 在实际应用中, 如果测量精度允许, 使用 8 位乘除运算是有好处的 这将大大减少数学运算代码, 同时也因为简化了代码和减少了计数而缩短了测量时间 图 4: 转换流程 开始 DISCHARGE MEASURE 初始化设置 将电容接地 清零 TMR0 调用 DISCHARGE 等待 清零计数器 设置校准输出 将电容开路 递增计数器 调用 MEASURE 返回 否 检查 TMR0 是否溢出 调用 DISCHARGE 是 设置 MEASURE 的输出 返回 调用 MEASURE 计算结果 结束 DS00513D_CN 第 2 页 2007 Microchip Technology Inc.
可通过 Microchip BBS 查询有关源代码的最新版本 Microchip 全球网址 :www.microchip.com ; 公告牌支持 : 使用 CompuServe 的 MCHIPBBS ( 无需 CompuServe 会员资格 ) 软件许可协议 Microchip Technology Incorporated ( 以下简称 本公司 ) 在此提供的软件旨在向本公司客户提供专门用于 Microchip 生产的产品的软件 本软件为本公司及 / 或其供应商所有, 并受到适用的版权法保护 版权所有 使用时违反前述约束的用户可能会依法受到刑事制裁, 并可能由于违背本许可的条款和条件而承担民事责任 本软件是按 现状 提供的 任何形式的保证, 无论是明示的 暗示的或法定的, 包括但不限于有关适销性和特定用途的暗示保证, 均不适用于本软件 对于在任何情况下 因任何原因造成的特殊的 附带的或间接的损害, 本公司概不负责 附录 A: 伏特计 /AD 转换器程序 MPASM 01.40 Released VOLTMETR.ASM 1-16-1997 12:35:25 PAGE 1 LOC OBJECT CODE VALUE LINE SOURCE TEXT 00001 TITLE VOLTMETER/AD CONVERTER PROGRAM REV 3-29-90 00002 LIST P=16C54 00003 ; 00004 ;******************************************************************* 00005 ; 00006 ; 程序 : VOLTMETR.ASM 00007 ; 修订日期 : 00008 ; 1-13-97 与 MPASMWIN 1.40 兼容 00009 ; 00010 ;******************************************************************* 00011 ; 00000008 00012 ACCA EQU 8 0000000A 00013 ACCB EQU 0A 0000000C 00014 ACCC EQU 0C 0000000E 00015 ACCD EQU 0E 00000010 00016 ACCE EQU 10 00000012 00017 TMEAS EQU 12 00000014 00018 TEMP EQU 14 00019 ; 00000001 00020 F EQU 1 00021 ; 00000060 00022 VCALMS EQU 60 ; 校准值的 MSB (HEX 格式 ) 000000A4 00023 VCALLS EQU 0A4 ; 校准值的 LSB (HEX 格式 ) 00024 01FF 00025 ORG 1FF 01FF 0A58 00026 GOTO VOLTS ; 程序代码 0000 00027 ORG 0 ; 子程序 00028 0000 0209 00029 MADD MOVF ACCA+1,W 0001 01EB 00030 ADDWF ACCB+1, F ; 与 LSB 相加 0002 0603 00031 BTFSC 3,0 ; 与进位位相加 0003 02AA 00032 INCF ACCB, F 0004 0208 00033 MOVF ACCA,W 0005 01EA 00034 ADDWF ACCB, F ; 与 MSB 相加 0006 0800 00035 RETLW 0 0007 0000 00036 NOP 00037 0008 0915 00038 MPY CALL SETUP ; 结果在 B (16 位的低 8 位 ) 和 C (16 为的高 8 位 ) 中 0009 032E 00039 MLOOP RRF ACCD, F ; 对 D 进行循环右移 2007 Microchip Technology Inc. DS00513D_CN 第 3 页
000A 032F 00040 RRF ACCD+1, F 000B 0603 00041 SKPNC ; 需要加法运算吗? 000C 0900 00042 CALL MADD 000D 032A 00043 RRF ACCB, F 000E 032B 00044 RRF ACCB+1, F 000F 032C 00045 RRF ACCC, F 0010 032D 00046 RRF ACCC+1, F 0011 02F4 00047 DECFSZ TEMP, F ; 不停循环直至检查完所有位 0012 0A09 00048 GOTO MLOOP 0013 0800 00049 RETLW 0 00050 0014 0000 00051 NOP 0015 0C10 00052 SETUP MOVLW 10 0016 0034 00053 MOVWF TEMP 0017 020A 00054 MOVF ACCB,W ; 将 B 移至 D 0018 002E 00055 MOVWF ACCD 0019 020B 00056 MOVF ACCB+1,W 001A 002F 00057 MOVWF ACCD+1 001B 020C 00058 MOVF ACCC,W 001C 0030 00059 MOVWF ACCE 001D 020D 00060 MOVF ACCC+1,W 001E 0031 00061 MOVWF ACCE+1 001F 006A 00062 CLRF ACCB 0020 006B 00063 CLRF ACCB+1 0021 0800 00064 RETLW 0 00065 0022 0000 00066 NOP 0023 0915 00067 DIV CALL SETUP 0024 0C20 00068 MOVLW 20 0025 0034 00069 MOVWF TEMP 0026 006C 00070 CLRF ACCC 0027 006D 00071 CLRF ACCC+1 0028 0403 00072 DLOOP CLRC 0029 0371 00073 RLF ACCE+1, F 002A 0370 00074 RLF ACCE, F 002B 036F 00075 RLF ACCD+1, F 002C 036E 00076 RLF ACCD, F 002D 036D 00077 RLF ACCC+1, F 002E 036C 00078 RLF ACCC, F 002F 0208 00079 MOVF ACCA,W 0030 008C 00080 SUBWF ACCC,W ; 检查 A 是否大于 C 0031 0743 00081 SKPZ 0032 0A35 00082 GOTO NOCHK 0033 0209 00083 MOVF ACCA+1,W 0034 008D 00084 SUBWF ACCC+1,W ; 如果两者的 MSB 相等, 则检查 LSB 0035 0703 00085 NOCHK SKPC ; 如果 C>A, 进位位置 1 0036 0A3E 00086 GOTO NOGO 0037 0209 00087 MOVF ACCA+1,W ; 将 C-A 的结果送入 C 0038 00AD 00088 SUBWF ACCC+1, F 0039 0703 00089 BTFSS 3,0 003A 00EC 00090 DECF ACCC, F 003B 0208 00091 MOVF ACCA,W 003C 00AC 00092 SUBWF ACCC, F 003D 0503 00093 SETC ; 将 A 向 B 移入一位 ( 结果 ) 003E 036B 00094 NOGO RLF ACCB+1, F 003F 036A 00095 RLF ACCB, F 0040 02F4 00096 DECFSZ TEMP, F ; 不停循环直至检查完所有位 0041 0A28 00097 GOTO DLOOP 0042 0800 00098 RETLW 0 00099 0043 0C0E 00100 DSCHRG MOVLW B 00001110 ; 对 C 进行放电 (RA0 打开 ) 0044 0005 00101 TRIS 5 DS00513D_CN 第 4 页 2007 Microchip Technology Inc.
0045 0CFF 00102 MOVLW 0FF 0046 0034 00103 MOVWF TEMP 0047 02F4 00104 LOOP DECFSZ TEMP, F ; 等待 0048 0A47 00105 GOTO LOOP 0049 0C0F 00106 MOVLW B 00001111 ; 所有 RA 引脚处于高阻状态 004A 0005 00107 TRIS 5 004B 0800 00108 RETLW 0 00109 004C 0061 00110 M_TIME CLRF 1 ; 清零 TMR0 寄存器 004D 0069 00111 CLRF ACCA+1 ; 清零 16 位计数器 004E 0068 00112 CLRF ACCA 004F 03E9 00113 TLOOP INCFSZ ACCA+1, F 0050 0A54 00114 GOTO ENDCHK 0051 03E8 00115 INCFSZ ACCA, F 0052 0A54 00116 GOTO ENDCHK 0053 0A56 00117 GOTO END_M 0054 0701 00118 ENDCHK BTFSS 1,0 ; 检查 TMR0 是否溢出 0055 0A4F 00119 GOTO TLOOP 0056 0201 00120 END_M MOVF 1,W 0057 0800 00121 RETLW 0 00122 0058 0C06 00123 VOLTS MOVLW B 00000110 ; 将 S2 和 S3 设置为高电平 ( 当激活时 ) 0059 0026 00124 MOVWF 6 005A 0CF0 00125 MOVLW B 11110000 ; 激活开关 S1-S4 005B 0006 00126 TRIS 6 005C 0C28 00127 MOVLW B 00101000 ; 选择 TMR0 在上升沿计数 005D 0002 00128 OPTION 005E 0C00 00129 MOVLW B 00000000 005F 0025 00130 MOVWF 5 ; 将 RA0 设置为低电平 ( 当激活时 ) 00131 0060 0943 00132 MEAS CALL DSCHRG ; 对电容进行充电直至达到 VIN 0061 0C0A 00133 MOVLW B 00001010 ;S2 和 S4 接通 0062 0026 00134 MOVWF 6 0063 094C 00135 CALL M_TIME ; 测量时间 0064 0209 00136 MOVF ACCA+1,W 0065 0033 00137 MOVWF TMEAS+1 ; 储存 LSB 0066 0208 00138 MOVF ACCA,W 0067 0032 00139 MOVWF TMEAS ; 储存 MSB 00140 0068 0C05 00141 CAL MOVLW B 00000101 ;S1 和 S3 接通 0069 0026 00142 MOVWF 6 006A 0943 00143 CALL DSCHRG ; 对电容充电直至达到 VREF 006B 0C09 00144 MOVLW B 00001001 ;S1 和 S4 接通 006C 0026 00145 MOVWF 6 006D 094C 00146 CALL M_TIME ; 测量时间 00147 006E 0CA4 00148 MOVLW VCALLS 006F 002B 00149 MOVWF ACCB+1 0070 0C60 00150 MOVLW VCALMS 0071 002A 00151 MOVWF ACCB 00152 0072 0908 00153 CALL MPY ; 执行乘法 ACCA(TCAL) * ACCB(VREF) 0073 0213 00154 MOVF TMEAS+1,W 0074 0029 00155 MOVWF ACCA+1 0075 0212 00156 MOVF TMEAS,W 0076 0028 00157 MOVWF ACCA 00158 0077 0923 00159 CALL DIV ; 执行除法 ACCB(TCAL * V)/ACCA(TMEAS) 00160 0078 0A58 00161 GOTO VOLTS 00162 00163 END 2007 Microchip Technology Inc. DS00513D_CN 第 5 页
存储器使用情况映射 ( X = 使用, - = 未使用 ) 0000 : XXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXX 0040 : XXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXX------- 01C0 : ---------------- ---------------- ---------------- ---------------X 所有其他存储块未被使用 使用的程序存储器字 : 122 未使用的程序存储器字 : 390 错误 : 0 警告 : 报告了 0 条, 抑制了 0 条 消息 : 报告了 0 条, 抑制了 0 条 DS00513D_CN 第 6 页 2007 Microchip Technology Inc.
注 : 2007 Microchip Technology Inc. DS00513D_CN 第 7 页
请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前, 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了 数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含的英文部分, 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用情况的有用信息 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负 买方同意在由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 Accuron dspic KEELOQ KEELOQ 徽标 microid MPLAB PIC PICmicro PICSTART PRO MATE rfpic 和 SmartShunt 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 AmpLab FilterLab Linear Active Thermistor Migratable Memory MXDEV MXLAB SEEVAL SmartSensor 和 The Embedded Control Solutions Company 均为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Analog-for-the-Digital Age Application Maestro CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense FlexROM fuzzylab In-Circuit Serial Programming ICSP ICEPIC Mindi MiWi MPASM MPLAB Certified 徽标 MPLIB MPLINK PICkit PICDEM PICDEM.net PICLAB PICtail PowerCal PowerInfo PowerMate PowerTool REAL ICE rflab Select Mode Smart Serial SmartTel Total Endurance UNI/O WiperLock 和 ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 是 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2007, Microchip Technology Inc. 版权所有 Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州 Gresham 的全球总部 设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2002 认证 公司在 PIC MCU 与 dspic DSC KEELOQ 跳码器件 串行 EEPROM 单片机外设 非易失性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合 ISO/TS- 16949:2002 此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证 DS00513D_CN 8 2007 Microchip Technology Inc.
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