如何通過(guò)單片機(jī)串口輸出模擬量？

一、前言

如果在電子線路設(shè)計(jì)中，碰到一個(gè)情況，那就是，單片機(jī)沒有DAC資源，也沒有多余的 PWM 端口可以使用。只剩下一個(gè) 串口還能用。那么如何通過(guò)該端口輸出模擬電壓呢？

利用單片機(jī)的端口，輸出一個(gè)占空比可以調(diào)節(jié)的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)RC低通濾波器，去除其中的交流分量之后，便可以輸出方波信號(hào)中的直流信號(hào)。那么就剩下一個(gè)問(wèn)題了，如何應(yīng)用 UART 輸出一個(gè)高電平占空比可以改變的方波信號(hào)呢？

單片機(jī)的串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)的信號(hào)波形中，包括一個(gè)bit 的起始位，一個(gè)bit 的停止位。它們分別是0 和 1，這是無(wú)法改變的。中間八個(gè)bit的數(shù)據(jù)位是可以改變的。比如發(fā)送0x44，其中就會(huì)包含有兩位高電平。這樣就有了8個(gè)可以被控制的高低電平的數(shù)據(jù)位。那么這就可以實(shí)現(xiàn) 3bit 位的 DAC輸出了。如果想實(shí)現(xiàn) 8bit 的 DAC輸出。則需要 256個(gè)可以被控制的數(shù)據(jù)位。這樣只要將連續(xù)32個(gè)發(fā)送字節(jié)合在一起，變可以形成256位可以控制高低電平的信號(hào)波形。從而實(shí)現(xiàn) 8bit 的 DAC 輸出了。下面通過(guò)單片機(jī)測(cè)試一下這種串口輸出模擬量的性能。

二、測(cè)試電路

設(shè)計(jì)基于STM32F103的測(cè)試電路板。這顆芯片我手邊有很多，所以選擇它進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。利用它的 串口2 進(jìn)行測(cè)試。串口1用于程序的下載。使用RC低通濾波器對(duì) TXD2信號(hào)進(jìn)行濾波。實(shí)際上 RXD2 是沒有使用的。另外，還將兩路ADC引導(dǎo)端口。這樣，可以利用ADC對(duì)外邊送入的信號(hào)進(jìn)行采集之后，再?gòu)?TXD2 送出，驗(yàn)證一下對(duì)音頻信號(hào)的采集與合成的功能。布置單面測(cè)試電路板。其中包括一個(gè)飛線，使用 0 歐姆電阻進(jìn)行跳線。

▲ 圖1.2.1 測(cè)試電路原理圖

▲ 圖1.2.2 PCB版圖

??一分鐘之后獲得了兩塊測(cè)試PCB電路板，其中有一塊有點(diǎn)過(guò)腐蝕。使用另外一塊比較正常的進(jìn)行測(cè)試。

焊接電路。放置在面包板上進(jìn)行測(cè)試。面包板直接給測(cè)試電路提供 3.3V的工作電源。程序通過(guò)探針夾子進(jìn)行下載。

三、軟件測(cè)試

設(shè)置單片機(jī)的 UART2 的基本參數(shù)。輸出波特率為 1MHz。這樣可以提高輸出信號(hào)的更新率。通過(guò)示波器可以測(cè)量到輸出信號(hào) 每一位的時(shí)間 為1微秒，對(duì)應(yīng) 1MHz的波特率。啟動(dòng)DMA輸出模式，UART2 便可以通過(guò)DMA持續(xù)發(fā)送內(nèi)存中 32 個(gè)字節(jié)內(nèi)容。

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將32個(gè)字節(jié)設(shè)置為0，輸出的電壓波形，經(jīng)過(guò)濾波之后測(cè)得的直流電壓為 0.326V。其中看到的脈沖是每個(gè)字節(jié)的停止位對(duì)應(yīng)的高電平脈沖。設(shè)置32個(gè)字節(jié)都為 0xff，看到的低脈沖是每個(gè)字節(jié)的起始位。讀取的濾波后的直流電壓為 2.9V。設(shè)置32個(gè)字節(jié)為 0x55。此時(shí)出現(xiàn)正負(fù)交替的脈沖波形，濾波之后的直流電壓為 1.61V。

下面分別設(shè)置32個(gè)字節(jié)中，高電平位數(shù)從0變化到255，測(cè)量濾波之后的輸出直流電壓。可以看到隨著位數(shù)的增加，輸出直流電壓線性上升。由于串口發(fā)送字節(jié)存在著起始位和停止位，所以對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)不是從零開始，最高電平也不是輸出信號(hào)的最高值。

▲ 圖1.3.1 設(shè)置32字節(jié)中高電平位數(shù)與濾波之后的直流電壓

??設(shè)置輸出DMA中的32個(gè)字節(jié)的 1 的位數(shù)按照正弦波變化，串口信號(hào)濾波之后輸出完美的正弦波形。設(shè)置輸出數(shù)據(jù)遞增，濾波后的波形呈現(xiàn)鋸齒波形。在下降沿出現(xiàn)緩變，這是因?yàn)檩敵鯮C低通濾波引起的。這是輸出高低電平的情況，RC低通濾波在上升和下降沿都引起緩變。

※ 總??結(jié) ※

本文測(cè)試了利用單片機(jī)串口輸出PWM波形，然后通過(guò)低通濾波形成直流電壓。利用這種方式，的確可以在特殊的情況下，給單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)DAC的端口。