陈远浩
（林百欣科技中专，广东汕头，515041）
0 引言
模数转换应用在数字电路和单片机智能控制等应用领域，作用非常大，以单片机为例，传统的做法一般是采在专用模数转换芯片或采用RC模式，这两种方式各有优缺点，前者优势是稳定性一致性较好，抗干扰能力强，但是其缺点是成本高。玩具市场中，对价格特别敏感，具有量大，低成本的特点，为降低生产成本，常用简单的电阻加电容来代替A/D转换芯片。笔者长期从事单片机智能控制设计开发工作，在实际工作中逐步改良传统RC模数转换的劣势，并实现抗干扰，高精度、低成本和批量生产时的一致性要求。
1 传统RC模数方案存在的问题
图1 传统RC模数转换原理图
传统的方法如图1所示，采用2501B单片机的P2.0 输出低电平时，电容C1 通过电阻R2、P2.0放电，当P2.0为高阻或高电平时，电流通过R1、R2给电容C1充电，随着时间的推移，A点的电压慢慢升高，当A的电压与B点的基准电压相等时,C点会发生跳变，P2.1用于检测C点的跳变。单片机记录从C1充电到P2.1发生跳变时间T，就可以计算出被测电阻R2的模数转换值D。充放电曲线如图2所示。
这种方法存在如下问题：第一、电源电压VCC波动会影响充放电时间从而影响转换结果，第二、电容C1漏电或者低价电容的误差比较大时,对转换结果影响非常大，而高精度电容的价格又较高。第三、环境温度的变化也会影响转换结果，第四、转换时间较长（如参考文献中[1]中所述的一个通道转换时间10mS），如果按航模标准，遥控器的发射信号的时间间隔不能超过20mS，而大多数的遥控汽车、遥控船、遥控玩具飞机的A/D通道数都超过3路，则需30毫秒的时间才能完成转换。第五、成本仍然偏高，因为使用了比较器，其成本比A/D转换芯片相差不大。
图2 RC充放电曲线
2 RC模数转换方法的改良策略
2.1 改良基本思路
基于以上传统RC方案的缺陷，笔者提出用单片机端口提供充电电流，通过参考通道的转换数据来修正目标通道的转换结果的改良策略，其电路原理图如图3所示，以SONIX的SN8P2501B单片机，实现W1电位器的模数转换为例；电路中P2.0用于电容的放电，兼用于检测电容C9是否已充电到高电平的电压，P2.1作为参考通道接5.1k的参考电阻，P2.2端口接待转换的电位器W1，R1为保护电阻，预防W1为0时的电流冲击。
电路基本工作方案是：当设置P2.1、P2.2为高阻状态，P2.0为低电平时，电容C9通过电阻R5放电；放电完成后，设置P2.1输出高电平给C9充电，同时P2.0改为输入状态，检测C9上的电压是否已充到单片机的高电平输入状态，单片机记录从P2.1开始给C9充电到P2.0检测到高电平的时间TR6，即为参考通道电阻R6的充电时间。同理，当设置P2.1为高阻，P2.2为高电平，P2.0为输入状态时，P2.2通过电位器W1、电阻R1给电容C9充电，单片机记录从P2.2开始给C9充电到P2.0检测到高电平的时间TWR1，即为目标通道电位器W1电阻R1的充电时间。
图3 改良后的RC模数转换电路图
2.2 解决电源干扰的依据与方法
该单片机的内部引脚电路结构如图4所示。
图4 SONIX2501B引脚内部电路结构
P2.0～P2.5都有内置上拉电阻，可以通过指令使能。使能后等效电路如图5，电容C9充电时间正比于单片机的电压VDD，另一方面，根据SONIX2501B单片机的电气特性，P2.0检测到高电平的条件是T的电压Vt>=0.7VDD，也是正比于单片机的电压VDD，即当电源电压VDD升高时，虽然充电快了，但同时P2.0所需的高电平电压Vt也相应升高了，所以电源的波动对转换结果没什幺影响。
图5 单片机使能上拉电阻后的等效电路
2.3 解决电容误差、环境温度影响转换结果的方法
引入参考通道，即增加R6通道做模数转换。如在图5中，当C9的电容误差、环境温度等因素影响W1所在通道的充电时长时，也同等程度影响了R6所在通道的充电时长，所以，程序中可根据R6通道所受影响程度来修正W1通道的数值。具体说就是根据TR6来修正TWR1。
2.4 缩短转换时间的方法。
C9放电时不走充电时的大电阻路径（R1、W1），而是通过一个小电阻R5（100欧）走P2.0端口放电，平均放电时间缩小为1/26，故提高整体转换时间。
3 改良RC模数转换的实际案例
图6 通用4通道遥控电路原理图(模数转换部分)
图6是我厂生产的通用4通道遥控电路原理图(模数转换部分)，通过给电容C9充放电的计时，实现W1、W2、W3、W4共4路的模数转换。本方案有如下特点：（1）为节省I/O端口及原材料，4路转换共用一个充放电电容C9，共用一个放电电阻R5。（2）P2.0端口既为检测C9是否已充电到高电平的检测端口，又是C9的放电通路。（3）为缩短放电时间，提高整机运行速度，采用100欧姆小电阻放电。（4）为了降低生产成本，提高产品的竞争力，C9采用了低成本的瓷片电容，（5）加入电阻R6作为参考通道，通过比例换算巧妙解决了电容误差、温度、湿度等外部环境对转换结果的影响。
电容C9的充放电波形如图7所示，前4个锯齿波分别是W1、W2、W3、W4所在通道的充放电曲线，第5个锯齿波是参考通道R6的充放电曲线，电位器阻值为0欧或者5K时的锯齿波分别如第1个、第2个锯齿波。本实例5个锯齿波总共时长在9mS以内，满足航模20mS以内的要求。
单片机时钟采用内部高速16MHz，4分频，实测电路的A/D转换精度接近10位，即1024级。
图7 C9的充放波形图
实例中单片机2501B的端口分配如表1所示。实例程序、流程图中涉及的变量定义如表2所示。实例的程序流程图如图8所示。
表1
图8 流程图
表2
实例的编程过程
（1）系统初始化
①、各变量TR6、TWR1、TWR2、TWR3、TWR4等赋值0；②、因各通道端口通过电阻相连，为避免各通道充放电时的相互干扰，将相关端口P2.0～P2.5置为高阻模式,并全能上拉电阻。
（2）检测参考通道值TR6，即检测P2.1端口通过电阻R6给电容C9充饱电的时长。
第一步，P2.0端口设置为输出模式，同时P2.0端口置0,即置为低电平，并延时1毫秒时间，让C9上的电荷通过100欧的小电阻R5从P2.0端口快速放掉；第二步，放电完成后，P2.0端口恢复为高阻输入模式，为检测C9是否已充饱电做准备；同时，P2.1端口设置为输出模式，端口置1，即置为高电平，P2.1端口电流开始通过5.1K的电阻R6给电容C9充电；第三步，检测判断P2.0端口是否为1(高电平状态)，如果为0，表示电容C9尚未充饱电，则变量TR6的数值加上1，（TR6=TR6+1）,然后重复第三步；如果检测P2.0的结果为1,表示P2.1端口电流已通过电阻R6给电容C9充饱电，此时TR6的大小值就是R6给电容C9的充电时长。
（3）类似于上面的3.4.2方法，检测记录出第1至4通道的充电时长TWR1、TWR2、TWR3、TWR4。
（4）数据处理
①根据参考通道时长TR6，修正计算出各电位器充电时长TW。
R1、R2、R3、R4为100欧的保护电阻，先算出给C9充电时100欧电阻所消耗的时长T100，TR6是5100欧（5.1k）所消耗的时长，所以5100:TR6=100:T100，T100=100＊TR6/5100，5.1k=5k+100欧，故阻值为5k时所需时间TR5K=TR6-T100。因第一通道是W1串联R1,故TWR1=TW1+T100，得出TW1=TWR1-T100，同理，TW2=TWR2-T100，TW3=TWR3-T100，TW4=TWR4-T100。
②根据产品的精度要求，按比例换算出各电位器的模数转换结果ADW。
本实例的A/D转换精度要求为256级，从0～255间变化，即TR5K等效于255，故TR5K:TW1=255:ADW1，得出电位器W1的模数转换结果数值ADW1=255＊TW1/TR5K，同 理 ADW2=255＊TW2/TR5K，ADW3=255＊TW3/TR5K，ADW4=255＊TW4/TR5K。
4 结束语
本文介绍一种经过改良的单片机数模转换技术，其特点是低成本，高精度和实用性，目前本方案已应用在遥控航模飞机、遥控汽车、遥控船、四轴飞行器等多种玩具产品中，数量超百万套，产品已销往世界各地，历经严寒酷暑考验，性能稳定，本方案生产的电子产品，也已通过美国的FCC、欧盟的CE、RTTE、日本的PSE认证。本方案的物美价廉，成功帮助所在电子厂在激烈的市场中保持竞争优势。
