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        如何通過單片機串口輸出模擬量?

        2024/4/28 14:42:11??????點擊:

            一、前言

            如果在電子線路設計中,碰到一個情況,那就是,單片機沒有DAC資源,也沒有多余的 PWM 端口可以使用。只剩下一個 串口還能用。那么如何通過該端口輸出模擬電壓呢?

            利用單片機的端口,輸出一個占空比可以調節的方波信號,經過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中的直流信號。那么就剩下一個問題了,如何應用 UART 輸出一個高電平占空比可以改變的方波信號呢?

            單片機的串口發送一個字節的信號波形中,包括一個bit 的起始位,一個bit 的停止位。它們分別是0 和 1,這是無法改變的。中間八個bit的數據位是可以改變的。比如發送0x44,其中就會包含有兩位高電平。這樣就有了8個可以被控制的高低電平的數據位。那么這就可以實現 3bit 位的 DAC輸出了。如果想實現 8bit 的 DAC輸出。則需要 256個可以被控制的數據位。這樣只要將連續32個發送字節合在一起,變可以形成256位可以控制高低電平的信號波形。從而實現 8bit 的 DAC 輸出了。下面通過單片機測試一下這種串口輸出模擬量的性能。

            二、測試電路

            設計基于STM32F103的測試電路板。這顆芯片我手邊有很多,所以選擇它進行實驗。利用它的 串口2 進行測試。串口1用于程序的下載。使用RC低通濾波器對 TXD2信號進行濾波。實際上 RXD2 是沒有使用的。另外,還將兩路ADC引導端口。這樣,可以利用ADC對外邊送入的信號進行采集之后,再從 TXD2 送出,驗證一下對音頻信號的采集與合成的功能。布置單面測試電路板。其中包括一個飛線,使用 0 歐姆電阻進行跳線。

            一分鐘之后獲得了兩塊測試PCB電路板,其中有一塊有點過腐蝕。使用另外一塊比較正常的進行測試。

            接下來,焊接電路,放置在面包板上進行測試,面包板直接給測試電路提供 3.3V的工作電源,程序通過探針夾子進行下載。

            三、軟件測試

            設置單片機的 UART2 的基本參數。輸出波特率為 1MHz。這樣可以提高輸出信號的更新率。通過示波器可以測量到輸出信號 每一位的時間 為1微秒,對應 1MHz的波特率。啟動DMA輸出模式,UART2 便可以通過DMA持續發送內存中 32 個字節內容。


            將32個字節設置為0,輸出的電壓波形,經過濾波之后測得的直流電壓為 0.326V。其中看到的脈沖是每個字節的停止位對應的高電平脈沖。設置32個字節都為 0xff,看到的低脈沖是每個字節的起始位。讀取的濾波后的直流電壓為 2.9V。設置32個字節為 0x55。此時出現正負交替的脈沖波形,濾波之后的直流電壓為 1.61V。

            下面分別設置32個字節中,高電平位數從0變化到255,測量濾波之后的輸出直流電壓??梢钥吹诫S著位數的增加,輸出直流電壓線性上升。由于串口發送字節存在著起始位和停止位,所以對應的直流信號不是從零開始,最高電平也不是輸出信號的最高值。

            設置輸出DMA中的32個字節的 1 的位數按照正弦波變化,串口信號濾波之后輸出完美的正弦波形。設置輸出數據遞增,濾波后的波形呈現鋸齒波形。在下降沿出現緩變,這是因為輸出RC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。


            四、總結

            本文測試了利用單片機串口輸出PWM波形,然后通過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,給單片機產生一個DAC的端口。
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