蓝桥杯之单片机设计与开发（18）——模数转换A/D与数模转换D/A

快来打我* 2022-03-16 00:37 197阅读 0赞

### A/D的主要指标 ###

**1、ADC的位数**

一个n位的ADC表示这个ADC共有2的n次方个刻度。8位的ADC输出的是从0~255一共256个数字值，也就是![2^\{^\{8\}\}][2_8]个数据刻度。。

**2、基准源**

基准源也叫基准电压，是ADC的一个重要指标，要想把输入的ADC的信号测量准确，那么基准源首先要准，基准源的偏差会直接导致转换结果的偏差。

**3、分辨率**

分辨率是数字量变化一个最小刻度时，模拟信号的变化量，定义为满刻度量程与![2^\{\_\{n\}\}-1][2_n_-1]的比值。假定5.10V的电压系统，使用8位的ADC进行测量，那么相当于0~255一共256个刻度把5.10V平均分成了255份，那么分辨率就是5.10/255=0.02V。

**4、INL（积分非线性度）和 DNL（差分非线性度）**

ADC精度关系重大的两个指标是INL(IntegralNonLiner)和 DNL(Differencial NonLiner) 。

INL 指的是 ADC 器件在所有的数值上对应的模拟值，和真实值之间误差最大的那一个点的误差值，是 ADC 最重要的一个精度指标，单位是 LSB。

LSB（Least Significant Bit）是最低有效位的意思，那么它实际上对应的就是 ADC的分辨率。一个基准为5.10V的8位ADC，它的分辨率就是 0.02V，用它去测量一个电压信号，得到的结果是 100，就表示它测到的电压值是 100\*0.02V=2V，假定它的 INL 是 1LSB，就表示这个电压信号真实的准确值是在1.98V～2.02V 之间的，按理想情况对应得到的数字应该是 99～101，测量误差是一个最低有效位，即 1LSB。

DNL 表示的是 ADC 相邻两个刻度之间最大的差异，单位也是 LSB。一把分辨率是 1 毫米的尺子，相邻的刻度之间并不都刚好是 1 毫米，而总是会存在或大或小的误差。同理，一个 ADC 的两个刻度线之间也不总是准确的等于分辨率，也是存在误差，这个误差就是 DNL。

一个基准为 5.10V 的 8 位 ADC，假定它的 DNL 是 0.5LSB，那么当它的转换结果从 100 增加到 101 时，理想情况下实际电压应该增加 0.02V，但 DNL 为 0.5LSB 的情况下实际电压的增加值是在 0.01～0.03V 之间。值得一提的是 DNL 并非一定小于 1LSB，很多时候它会等于或大于 1LSB，这就相当于是一定程度上的刻度紊乱，当实际电压保持不变时，ADC 得出的结果可能会在几个数值之间跳动，很大程度上就是由于这个原因（但并不完全是，因为还有无时无处不在的干扰的影响）。

**5、转换速率 **

转换速率，是指 ADC 每秒能进行采样转换的最大次数，单位是 sps （或 s/s、sa/s，即 samplesper second），它与 ADC 完成一次从模拟到数字的转换所需要的时间互为倒数关系。ADC 的种类比较多，其中积分型的 ADC 转换时间是毫秒级的，属于低速 ADC；逐次逼近型 ADC转换时间是微秒级的，属于中速 ADC；并行/串行的 ADC 的转换时间可达到纳秒级，属于高速 ADC。

### PCF8591的硬件接口 ###

PCF8591是一个单电源低功耗的 8 位 CMOS 数据采集器件，具有 4 路模拟输入，1 路模拟输出和一个串行 I 2 C 总线接口用来与单片机通信。与前面讲过的 24C02 类似，3 个地址引脚 A0、A1、A2 用于编程硬件地址，允许最多 8 个器件连接到I2C 总线而不需要额外的片选电路。器件的地址、控制以及数据都是通过 I2C 总线来传输。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1hpYW9tb19oYWE_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

其中引脚 1、2、3、4 是 4 路模拟输入，引脚 5、6、7 是 I 2 C 总线的硬件地址，8 脚是数字地 GND，9 脚和 10 脚是 I 2 C 总线的 SDA 和 SCL。12 脚是时钟选择引脚，如果接高电平表示用外部时钟输入，接低电平则用内部时钟，我们这套电路用的是内部时钟，因此 12 脚直接接 GND，同时 11 脚悬空。13 脚是模拟地 AGND，在实际开发中，如果有比较复杂的模拟电路，那么 AGND 部分在布局布线上要特别处理，而且和 GND 的连接也有多种方式，这个板子上没有复杂的模拟部分电路，所以我们把 AGND 和 GND 接到一起。14 脚是基准源，15 脚是 DAC 的模拟输出，16 脚是供电电源 VCC。

PCF8591 的 ADC 是逐次逼近型的，转换速率算是中速，但是它的速度瓶颈在 I 2 C 通信上。由于 I 2 C 通信速度较慢，所以最终的 PCF8591 的转换速度，直接取决于 I 2 C 的通信速率。由于 I 2 C 速度的限制，所以 PCF8591 得算是个低速的 AD 和 DA 的集成，主要应用在一些转换速度要求不高，希望成本较低的场合，比如电池供电设备，测量电池的供电电压，电压低于某一个值，报警提示更换电池等类似场合。

Vref 基准电压的提供有两种方法。一是采用简易的原则，直接接到 VCC 上去，但是由于 VCC 会受到整个线路的用电功耗情况影响，一来不是准确的 5V，实测大多在 4.8V 左右，二来随着整个系统负载情况的变化会产生波动，所以只能用在简易的、对精度要求不高的场合。方法二是使用专门的基准电压器件，比如 TL431，它可以提供一个精度很高的 2.5V 的电压基准。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1hpYW9tb19oYWE_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

对于AD 来说，只要输入信号超过 Vref 基准源，它得到的始终都是最大值，即 255，也就是说它实际上无法测量超过其 Vref 的电压信号的。需要注意的是，所有输入信号的电压值都不能超过 VCC，即+5V，否则可能会损坏 ADC 芯片。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1hpYW9tb19oYWE_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

在CT107D开发板上，Vref是直接接到了VCC上。

### PCF8591编程 ###

PCF8591 的通信接口是 I 2 C，那么编程肯定是要符合这个协议的。单片机对 PCF8591 进行初始化，一共发送三个字节即可。

第一个字节，和E2PROM类似，是器件地址字节，其中7位代表地址，一位代表读写方向。地址高四位固定是0b1001，低三位是A2、A1、A0，这三位在电路上都接到了GND，因此也就是0b00，如下图所示：

![20190225194834562.png][]

第二个字节，将被存储在控制寄存器里，用于控制PCF8591的功能。其中第3位和第7位是固定的0，另外66位各自有各自的作用，如下图所示：

![201902251950243.png][]

控制字节的第 6 位是 DA 使能位，这一位置 1 表示 DA 输出引脚使能，会产生模拟电压输出功能。

第4位和第5位可以实现把PCF8591的4路模拟输入配置成单端模式和差分模式，是配置 AD输入方式的控制位。单端模式和差分模式的区别。 如下图所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1hpYW9tb19oYWE_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

控制字节的第 2 位是自动增量控制位，自动增量的意思就是，比如一共有 4 个通道，当全部使用的时候，读完了通道 0，下一次再读，会自动进入通道 1 进行读取，不需要我们指定下一个通道。

注意：由于 A/D 每次读到的数据，都是上一次的转换结果，所以在使用自动增量功能的时候，要特别注意，当前读到的是上一个通道的值。 为了保持程序的通用性，代码没有使用这个功能，而是直接做了一个通用的程序。

控制字节的第 0 位和第 1 位就是通道选择位了，00、01、10、11 代表了从 0 到 3 的一共4 个通道选择。

第三个字节，D/A数据寄存器，表示D/A模拟输出的电压值。**如果仅仅使用A/D功能，可不发送第三个字节！**

**ADC程序**

/*******************************************************************************
    * 函数名	：Read_AIN
    * 输入值	：unsigned char chn
    * 返回值	：unsigend char dat
    * 作者		：小默haa
    * 时间		：2019年2月25日
    * 功能描述：读取PCF8591AIN采集数据
    * 备注		：chn为PCF8591的通道
    *******************************************************************************/
    unsigned char Read_AIN(unsigned char chn)
    {
    	unsigned char dat;
    	EA = 0;
    	IIC_Start();				//IIC总线起始信号							
    	IIC_SendByte(0x90); 		//PCF8591的写设备地址		
    	IIC_WaitAck();  			//等待从机应答		
    	IIC_SendByte(chn); 			//写入PCF8591的控制字节		
    	IIC_WaitAck();  			//等待从机应答						
    	IIC_Stop(); 				//IIC总线停止信号					
    	
    	IIC_Start();				//IIC总线起始信号									
    	IIC_SendByte(0x91); 		//PCF8591的读设备地址		
    	IIC_WaitAck(); 				//等待从机应答		
    	dat = IIC_RecByte();		//读取PCF8591通道3的数据 			
    	IIC_Ack(0); 				//产生非应答信号				
    	IIC_Stop(); 				//IIC总线停止信号		
    	EA = 1;
    	return dat;	
    }
    
    /*******************************************************************************
    * 函数名	：ValueToString
    * 输入值	：unsigned char *str, unsigned char val
    * 返回值	：none
    * 作者		：小默haa
    * 时间		：2019年2月25日
    * 功能描述：将PCF8591AIN采集的数据转换为字符型
    * 备注		：注意这里把电压扩大了10倍
    *******************************************************************************/
    void ValueToString(unsigned char *str, unsigned char val)
    {
        val = (val * 50) / 255;  //电压5V，256个刻度分成255份！
        str[0] = val / 10;
        str[1] = ‘.’;
        str[2] = val % 10;
        str[3] = ‘V’;
    }

**注意：在程序里我设置开始读ADC值时关闭中断，避免ADC测量程序被中断打断，影响精准度。 **

### D/A输出 ###

/*******************************************************************************
    * 函数名	：SetDACOut
    * 输入值	：unsigned char val
    * 返回值	：none
    * 作者		：小默haa
    * 时间		：2019年2月25日
    * 功能描述：输入电压值，设置DAC输出值
    * 备注		：val为设定的电压值
    *******************************************************************************/
    void SetDACOut(unsigned char val)
    {
        IIC_Start();
        if(IIC_WaitAck() == 1)
        {
    			IIC_Stop();
          return;
        }
        IIC_SendByte(0x40);
        IIC_SendByte(val);
        IIC_Stop();
    }
    
    /*******************************************************************************
    * 函数名	：KeyAction
    * 输入值	：unsigned char keycode
    * 返回值	：none
    * 作者		：小默haa
    * 时间		：2019年2月25日
    * 功能描述：通过按键控制输出电压值
    * 备注		：
    *******************************************************************************/
    void KeyAction(unsigned char keycode)
    {
        static unsigned char volt = 0;
    
        if(keycode == 0x26)			//向上键，增加0.1V电压值
        {
            if(volt < 50)
            {
                volt++;
                SetDACOut((volt * 255) / 50);		//转换为AD输出值
            }
        }   
        else if(keycode == 0x28)		//向下键，减小0.1V电压值
        {
            if(volt > 0)
            {
                volt--;
                SetDACOut((volt * 255) / 50);		//转换为AD输出值
            }
        }
    }

[2_8]: https://private.codecogs.com/gif.latex?2%5E%7B%5E%7B8%7D%7D
[2_n_-1]: https://private.codecogs.com/gif.latex?2%5E%7B_%7Bn%7D%7D-1
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