KickStart, część 8: możliwości konwersji cyfrowo-analogowej w mikrokontrolerach

Mike Tooley

Kursy

29 maja 2025

Nasza seria publikacji KickStart ma na celu poinformować Czytelników o sposobach wykorzystania łatwo dostępnych, niedrogich komponentów i modułów, do rozwiązania wielu problemów konstrukcyjnych w możliwie krótkim czasie. Każdy z przykładowych projektów można zrealizować w ciągu kilku godzin, przy użyciu gotowych komponentów. Oprócz krótkiego objaśnienia podstawowych zagadnień technicznych, seria ta zawiera przykłady i opisy różnorodnych rozwiązań wraz z informacjami na temat możliwości ich rozbudowy i dostosowania do własnych potrzeb.

Poprzednia część

Spis treści

Następna część Toc right icon

1. KickStart, część 1. Elementy przełączające MOSFET w zastosowaniach liniowych – wprowadzenie do „szwajcarskiego scyzoryka”, tranzystora 2N7000 2. KickStart, część 2. Pierwsze kroki z RFID – praca z kartami i tagami 3. KickStart, część 3. Cewki indukcyjne, czym są? 4. KickStart, część 5. Poznajemy zagadnienie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) 5. KickStart, część 6. Poznajemy technikę DDS 6. KickStart, część 7. Łatwe początki z I²C 7. KickStart, część 8: możliwości konwersji cyfrowo-analogowej w mikrokontrolerach

W ósmej części publikacji KickStart omówione są sposoby tworzenia i wykorzystania wyjść analogowych w układach opartych na prostych mikrokontrolerach.

Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe (odpowiednio ADC i DAC) zapewniają możliwość połączenia cyfrowego świata mikrokontrolerów z zewnętrznym światem analogowym. Większość mikrokontrolerów zawiera wbudowane układy ADC, niestety, nie można tego powiedzieć o ich odpowiednikach DAC. Jest to przedstawione w tabelach 1 i 2, w których porównane zostały właściwości przetworników ADC/DAC wbudowanych w trzy najpopularniejsze moduły z mikrokontrolerami.

Zastosowanie techniki PWM

Jak wynika z tabeli 2, większość tanich mikrokontrolerów nie zawiera przetwornika cyfrowo-analogowego. Zamiast tego stosowane są układy oparte na technice PWM, gdzie średnia wartość ciągu impulsów prostokątnych stanowi analogową reprezentację napięcia wyjściowego.

Na rysunku 2a przedstawiony jest przebieg prostokątny o współczynniku wypełnienia równym 50%. Średnia wartość tego przebiegu będzie wynosić dokładnie 50% jego wartości szczytowej. Przebieg prostokątny o współczynniku wypełnienia równym 25% i wartości średniej równej 25% jego wartości szczytowej. Na podobnej zasadzie przebieg będzie miał wartość średnią równą 75% jego wartości szczytowej. Prowadzi to do konkluzji, że zmieniając współczynnik wypełnienia impulsów prostokątnych można wytwarzać przebieg analogowy, mieszczący się w zakresie od zera do wartości szczytowej tych impulsów.

Technika PWM jest użyteczna dla niekrytycznych aplikacji i może być łatwo zastosowana w urządzeniach opartych na prostych mikrokontrolerach, nie zawierających przetworników cyfrowo-analogowych. Wszystkim, co jest wymagane do realizacji tego pomysłu jest garść dodatkowych komponentów, które uśrednią sygnał wyjściowy.

Elementy R1 i C1 tworzą prosty filtr dolnoprzepustowy zaś układ IC1 pełni rolę bufora o jednostkowym wzmocnieniu, o wysokiej impedancji wejściowej, zdolnego do tolerowania relatywnie niskiej rezystancji obciążającej jego wyjście. Ciąg zmodulowanych impulsów pobierany z wyjścia GP16 modułu Raspberry Pi Pico ma amplitudę równą 3,3 V, stąd napięcie wyjściowe na pinie 6 układu IC1 może zmieniać się w zakresie od 0 do 3,3 V.

Analogowe napięcie wyjściowe w układzie można łatwo regulować za pomocą zaledwie kilku wierszy kodu w języku Python. Na przykład poniższy kod wygeneruje analogowe napięcie wyjściowe równe 1 V: