引言
数模转换器（Digital-to-Analog Converter, DAC）是将数字信号转换为模拟信号的电路。在嵌入式系统中，DAC 用于生成连续的电压信号，这些信号可以用于控制电机、显示亮度、音频输出等各种应用。PIC16 系列单片机中集成了 DAC 模块，使得开发者可以方便地实现这些功能。本节将详细介绍 PIC16 系列单片机中 DAC 模块的原理和应用，并提供具体的代码示例。
DAC 模块概述
模块功能
PIC16 系列单片机中的 DAC 模块可以将数字输入值转换为相应的模拟电压输出。常见的 DAC 输出范围是 0V 到 Vref（参考电压），数字输入值通常为 8 位或 10 位。DAC 模块可以通过编程控制输出电压的精度和范围。
模块配置
DAC 模块的配置通常涉及以下几个步骤：
选择参考电压：参考电压决定了 DAC 输出电压的范围。常见的参考电压选项包括 Vdd、Vss 和外部参考电压。
选择输出通道：根据应用需求选择合适的 DAC 输出通道。
设置分辨率：配置 DAC 的分辨率，常见的分辨率有 8 位和 10 位。
启动 DAC：使能 DAC 模块，开始输出模拟电压。
DAC 模块的硬件接口
引脚配置
在 PIC16 系列单片机中，DAC 模块通常连接到特定的引脚。例如，PIC16F1825 的 DAC 模块可以连接到 AN12 引脚。配置引脚时，需要将引脚设置为 DAC 模式。
参考电压选择
参考电压的选择通常通过配置寄存器来实现。例如，PIC16F1825 的 DAC 模块可以通过配置 DACCON0 寄存器的 VREFSEN 位来选择参考电压源。常见的选择包括：
Vdd：使用电源电压 Vdd 作为参考电压。
Vss：使用地电压 Vss 作为参考电压。
外部参考电压：使用外部提供的参考电压。
DAC 模块的软件配置
配置寄存器
DAC 模块的配置主要通过几个寄存器来实现。以下是 PIC16F1825 中 DAC 模块的主要寄存器：
DACCON0：控制 DAC 的使能和参考电压源。
DACCON1：设置 DAC 的分辨率和输出值。
DACCON0 寄存器
DACAEN：使能 DAC 模块。
VREFSEN：选择参考电压源。
DACAIF：选择 DAC 输入格式。
DACCON1 寄存器
DACOUT：设置 DAC 输出值。
DACRSEN：选择 DAC 分辨率。
配置示例
下面是一个配置 PIC16F1825 DAC 模块的示例代码，使用 Vdd 作为参考电压，设置 8 位分辨率，并输出 1.25V 的电压。
#include <xc.h>
#include <pic16f1825.h>
// 配置 DAC
void configure_DAC() {
// 使能 DAC 模块
DACCON0 = 0b00000001; // DACAEN = 1, VREFSEN = 0, DACAIF = 0
// 设置 8 位分辨率
DACCON1 = 0b00000000; // DACRSEN = 0
// 设置 DAC 输出值
set_DAC_output(50); // 50/255 * Vdd = 1.25V (假设 Vdd = 5V)
}
// 设置 DAC 输出值
void set_DAC_output(uint8_t value) {
DACCON1 = (DACCON1 & 0b11110000) | value; // 保留分辨率位，设置输出值
}
void main(void) {
// 配置系统时钟
OSCCON = 0b01100000; // 内部 8MHz 时钟
// 配置 DAC
configure_DAC();
// 主循环
while (1) {
// 保持 DAC 输出
}
}
代码说明
配置 DAC 模块：
DACAEN 位设置为 1，使能 DAC 模块。
VREFSEN 位设置为 0，选择 Vdd 作为参考电压源。
DACAIF 位设置为 0，选择直接数字输入格式。
设置 DAC 分辨率：
DACRSEN 位设置为 0，选择 8 位分辨率。
设置 DAC 输出值：
set_DAC_output 函数通过修改 DACCON1 寄存器的低 8 位来设置 DAC 输出值。假设 Vdd 为 5V，输出值为 50，则输出电压为 50 255 × 5 V = 1.25 V \frac{50}{255} \times 5V = 1.25V
255
50
×5V=1.25V。
DAC 模块的应用实例
生成可调电压
应用场景
在一个温度控制应用中，需要生成一个可调电压来控制加热器的功率。假设温度传感器返回的数值范围为 0-100，对应 0-5V 的电压输出。
代码示例
#include <xc.h>
#include <pic16f1825.h>
// 配置 DAC
void configure_DAC() {
// 使能 DAC 模块
DACCON0 = 0b00000001; // DACAEN = 1, VREFSEN = 0, DACAIF = 0
// 设置 8 位分辨率
DACCON1 = 0b00000000; // DACRSEN = 0
}
// 根据温度设置 DAC 输出值
void set_DAC_output_by_temperature(uint8_t temperature) {
uint8_t value = (temperature * 255) / 100; // 将温度值映射到 0-255 的范围内
DACCON1 = (DACCON1 & 0b11110000) | value; // 设置 DAC 输出值
}
void main(void) {
// 配置系统时钟
OSCCON = 0b01100000; // 内部 8MHz 时钟
// 配置 DAC
configure_DAC();
// 主循环
while (1) {
uint8_t temperature = read_temperature(); // 读取温度传感器值
set_DAC_output_by_temperature(temperature); // 根据温度设置 DAC 输出值
// 延时
__delay_ms(1000);
}
}
代码说明
配置 DAC 模块：
DACAEN 位设置为 1，使能 DAC 模块。
VREFSEN 位设置为 0，选择 Vdd 作为参考电压源。
DACAIF 位设置为 0，选择直接数字输入格式。
根据温度设置 DAC 输出值：
set_DAC_output_by_temperature 函数将温度值映射到 0-255 的范围内，然后通过修改 DACCON1 寄存器的低 8 位来设置 DAC 输出值。
主循环：
在主循环中，读取温度传感器的值，并根据温度值调整 DAC 输出电压。每秒更新一次 DAC 输出值。
音频信号生成
应用场景
在音频应用中，需要生成一个正弦波信号来驱动扬声器。假设使用 10 位分辨率的 DAC，生成 1KHz 的正弦波信号。
代码示例
#include <xc.h>
#include <pic16f1825.h>
#include <math.h>
#include <stdint.h>
#define PI 3.14159265358979323846
#define SAMPLE_RATE 10000 // 采样率
#define FREQUENCY 1000 // 信号频率
#define VREF 5.0 // 参考电压 5V
// 配置 DAC
void configure_DAC() {
// 使能 DAC 模块
DACCON0 = 0b00000001; // DACAEN = 1, VREFSEN = 0, DACAIF = 0
// 设置 10 位分辨率
DACCON1 = 0b00010000; // DACRSEN = 1
}
// 设置 DAC 输出值
void set_DAC_output(uint16_t value) {
DACCON1 = (DACCON1 & 0b11100000) | (value & 0b00001111); // 设置低 4 位
DACCON2 = (value >> 4) & 0b00001111; // 设置高 4 位
}
void generate_sine_wave() {
uint16_t value;
uint16_t time = 0;
uint16_t period = SAMPLE_RATE / FREQUENCY; // 计算一个周期的采样点数
while (1) {
value = (uint16_t)(0.5 * 1023 * (sin(2 * PI * time / period) + 1)); // 生成 10 位正弦波值
set_DAC_output(value); // 设置 DAC 输出值
time = (time + 1) % period; // 更新时间
__delay_us(100); // 延时 100 微秒
}
}
void main(void) {
// 配置系统时钟
OSCCON = 0b01100000; // 内部 8MHz 时钟
// 配置 DAC
configure_DAC();
// 生成正弦波
generate_sine_wave();
}
代码说明
配置 DAC 模块：
DACAEN 位设置为 1，使能 DAC 模块。
VREFSEN 位设置为 0，选择 Vdd 作为参考电压源。
DACAIF 位设置为 0，选择直接数字输入格式。
DACRSEN 位设置为 1，选择 10 位分辨率。
设置 DAC 输出值：
set_DAC_output 函数通过修改 DACCON1 和 DACCON2 寄存器来设置 10 位分辨率的 DAC 输出值。DACCON1 设置低 4 位，DACCON2 设置高 4 位。
生成正弦波：
generate_sine_wave 函数使用正弦函数生成 1KHz 的正弦波信号。time 变量用于跟踪当前时间点，period 变量用于计算一个周期的采样点数。每 100 微秒更新一次 DAC 输出值。
DAC 模块的注意事项
电源稳定性
DAC 模块的输出电压受电源电压的影响。因此，确保电源电压的稳定性和精度对于 DAC 输出的准确性至关重要。使用稳压电源或滤波电路可以提高电源的稳定性。
滤波器
DAC 输出的模拟信号可能包含高频噪声，特别是当 DAC 以较高的采样率工作时。在 DAC 输出端加一个低通滤波器可以滤除这些高频噪声，提高信号的质量。
分辨率和精度
DAC 的分辨率决定了输出电压的精度。10 位 DAC 的分辨率比 8 位 DAC 高，但需要更多的计算资源和内存。根据应用需求选择合适的分辨率。
延迟和定时
在生成波形或动态调整 DAC 输出值时，需要精确控制延迟和定时。使用定时器或延迟函数可以实现这一点。确保延时函数的精度，以避免信号失真。
结语
通过本节的学习，您应该已经了解了 PIC16 系列单片机中 DAC 模块的基本原理和配置方法。此外，我们还提供了生成可调电压和音频信号生成的两个应用实例。希望这些内容能帮助您更好地理解和应用 DAC 模块。在实际开发中，注意电源稳定性、滤波器使用和分辨率选择，以确保 DAC 输出的准确性和稳定性。
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