如何通過單片機串口輸出模擬量？

一、前言

如果在電子線路設(shè)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(diào)節(jié)的方波信號，經(jīng)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(yīng)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(fā)送一個字節(jié)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(shù)據(jù)位是可以改變的。比如發(fā)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(shù)據(jù)位。那么這就可以實現(xiàn) 3bit 位的 DAC輸出了。如果想實現(xiàn) 8bit 的 DAC輸出。則需要 256個可以被控制的數(shù)據(jù)位。這樣只要將連續(xù)32個發(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波形。從而實現(xiàn) 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(shè)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(jìn)行實驗。利用它的 串口2 進(jìn)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(jìn)行濾波。實際上 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對外邊送入的信號進(jìn)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(jìn)行跳線。

▲ 圖1.2.1 測試電路原理圖

▲ 圖1.2.2 PCB版圖

??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(jìn)行測試。

焊接電路。放置在面包板上進(jìn)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(jìn)行下載。

三、軟件測試

設(shè)置單片機的 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(yīng) 1MHz的波特率。啟動DMA輸出模式，UART2 便可以通過DMA持續(xù)發(fā)送內(nèi)存中 32 個字節(jié)內(nèi)容。

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將32個字節(jié)設(shè)置為0，輸出的電壓波形，經(jīng)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(jié)的停止位對應(yīng)的高電平脈沖。設(shè)置32個字節(jié)都為 0xff，看到的低脈沖是每個字節(jié)的起始位。讀取的濾波后的直流電壓為 2.9V。設(shè)置32個字節(jié)為 0x55。此時出現(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個字節(jié)中，高電平位數(shù)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(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，所以對應(yīng)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。

▲ 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個字節(jié)的 1 的位數(shù)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(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。

※ 總??結(jié) ※

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(chǎn)生一個DAC的端口。