模数转换（A/D）与数模转换（D/A）

jhcj2014

单片机是一个典型的数字系统，数字系统只能呢个对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是数字的。但工业或者生活中的很多量都是模拟量，这些模拟量可以通过传感器变成与之对应的电压、电流等模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量的测量，运算和控制，就需要一个模拟量和数字量之间的相互转化的过程。

A/D和D/A的基本概念

A/D是模拟量到数字量的转换，依靠的是模数转换器(Analog to Digital Converter)，简称ADC。D/A是数字量到模拟量的转换，依靠的是数模转换器(Digital to Analog Converter)，简称DAC。它们的道理是完全一样的，只是转换方向不同，因此我们讲解过程主要以A/D为例来讲解。
什么是模拟量？就是指变量在一定范围内连续变化的量，总之，任何两个数字之间都有无限个中间值，所以称之为连续变化的量，也就是模拟量。ADC就是起到把连续的信号用离散的数字表达出来的作用

A/D的主要指标

我们在选取和使用A/D的时候，依靠什么指标很重要。由于AD的种类很多，分为积分型，逐次逼近型，并行/串行比较型，Σ-Δ型等多种类型。同时指标也比较多，并且有的指标还有轻微差别。

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ADC，输出的是从0-255的256个数字，也就是2的8次方的一个数据刻度。

2.基准源

基准源也叫基准电压，是ADC的1个重要标准，要想把输入ADC的信号测量准确，那么基准源首先要准，基准源的偏差会导致转换结果的偏差比如一根米尺，总长度本应该是1米，假定这根米尺被火烤了一下，实际变成了1.2米，再用这根米尺测物体长度的话自然就有了较大的偏差。假如我们的基准源应该是5.10V，但是实际上提供的却是4.5V，这样误把4.5V当成了5.10V来处理的话，偏差也会比较大。

3.分辨率

分辨率是数字量变化的一个最小刻度时，模拟信号的变化量，定义为满刻度量程与2n-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划分成255份，那么分辨率就是5.10/255=0.02V.

INL(积分非线性度)和DNL（差分非线性度）

一般容易混淆两个概念就是分辨率和精度，认为分辨率越高，则精度越高，而实际上，两者并没有必然的联系。分辨率是用来描述刻度划分的，而精度是用来描述准确程度。同样一根米尺，刻度数相同，分辨率就相当，但是精度却可以相差很大,ADC精度关系重大的两个指标是INL(Integral NonLiner)和DNL(Differencial NonLiner)。
INL指的是ADC器件在所有的数值上对应的模拟值，和真实值之间的误差最大的哪一个点的误差值，是ADC最重要的一个精度标准，单位是LSB。LSB是最低有效位的意思，那么实际上对应的就是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，得到的实际结果是100，就是表示它测到的电压值是100*0.02=2V，假定它的INL是1LSB，就是表示这个电压信号真实的准确值是在1.98V——2.02之间的，按理想情况对应的数字因该是99-101，测量误差是一个最低的有效位，即1LBS。
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一毫米，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，这个就是DNL。一个基准为5.10V的8位ADC，假定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的情况下实际电压为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者大于1LSB，这在相当一定程度上刻度紊乱，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，很大程度上由于这个原因（但并不完全是，因为还有很多干扰）。

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samples per 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转换时间是微妙级的，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。
ADC的这几个主要指标大家先熟悉一下，对于其它的，作为一个入门级别的选手来说，先不着急深入理解。以后使用过程中遇到了，再查找相关资料深入学习，当前重点是在头脑中建立一个ADC的基本概念。

PCF8591

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I2C总线接口用来与单片机通信。引脚1、2、3、4是4路模拟输入，引脚5、6、7是I2C总线的硬件地址，8脚是数字地GND，9脚和10脚是I2C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，这里大家先了解即可。在我们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I2C通信上。由于I2C通信速度较慢，所以最终的PCF8591的转换速度，直接取决于I2C的通信速率。由于I2C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。
软件编程
PCF8591的通信接口是I2C，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EEPROM类似，是器件地址字节，其中7位代表地址，1位代表读写方向。地址高4位固定是0b1001，低三位是A2，A1，A0，这三位我们电路上都接了GND，因此也就是0b000，发送到PCF8591的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制PCF8591的功能。其中第3位和第7位是固定的0，另外6位各自有各自的作用。
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，单端模式和差分模式的区别，我们在17.5节有介绍，这里大家只需要知道这两位是配置AD输入方式的控制位即可
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，比如我们一共有4个通道，当我们全部使用的时候，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，由于A/D每次读到的数据，都是上一次的转换结果，所以同学们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，我们的代码没有使用这个功能，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。
发送给PCF8591的第三个字节D/A数据寄存器，表示D/A模拟输出的电压值。D/A模拟我们一会介绍，大家知道这个字节的作用即可。我们如果仅仅使用A/D功能的话，就可以不发送第三个字节。

1. /* 读取当前的ADC转换值，chn-ADC通道号0~3 */
   
2. 
   
3. unsigned char GetADCValue(unsigned char chn)
   
4.       {
   
5. unsigned char val;
   
6. 
   
7. I2CStart();
   
8. if (!I2CWrite(0x48<<1))  //寻址PCF8591，如未应答，则停止操作并返回0
   
9. {
   
10.     I2CStop();
    
11.     return 0;
    
12. }
    
13. I2CWrite(0x40|chn);         //写入控制字节，选择转换通道
    
14. I2CStart();
    
15. I2CWrite((0x48<<1)|0x01);  //寻址PCF8591，指定后续为读操作   
    
16. I2CReadACK();                //先空读一个字节，提供采样转换时间
    
17. val = I2CReadNAK();         //读取刚刚转换完的值
    
18. I2CStop();
    
19. return val;
    
20. }

复制代码

DAC的输出

1. <p>/* 设置DAC输出值，val-设定值 */</p><p> void SetDACOut(unsigned char val)</p><p>  {</p><p>I2CStart();</p><p>if (!I2CWrite(0x48<<1)) //寻址PCF8591，如未应答，则停止操作并返回</p><p>{</p><p>    I2CStop();</p><p>    return;</p><p>}</p><p>I2CWrite(0x40);         //写入控制字节</p><p>I2CWrite(val);          //写入DA值  </p><p>I2CStop();</p><p>}</p><p></p>

复制代码