模数转换（A / D）和数模转换（D / A）

单片机是典型的数字系统. 数字系统只能处理输入的数字信号，其输出信号也是数字的. 但是，工业或生活中的许多数量都是模拟数量. 这些模拟量可以通过传感器转换为模拟量，例如与它们相对应的电压和电流. 为了通过数字系统实现对这些电气模拟量的测量，操作和控制，需要在模拟量和数字量之间进行转换.

A / D和D / A的基本概念

A / D是模拟量到数字量的转换，它依赖于模数转换器（Analog to Digital Converter，简称ADC）. D / A是数字到模拟的转换，依赖于数字到模拟转换器（Digital to Analog Converter），简称DAC. 原因完全相同，但转换方向不同，因此我们主要以A / D为例说明解释过程.

什么是模拟量？它是指变量在一定范围内的连续变化量. 简而言之，任何两个数字之间都有无限的中间值，所以它被称为连续变化量，即模拟量. ADC用于表达具有离散数字的连续信号

A / D的主要指标

当我们选择并使用A / D时，重要的是要依靠什么索引. 由于AD的类型很多，它们分为整数型，逐次逼近型，并行/串行比较型和Σ-Δ型. 同时，指标更多，有些指标略有不同.

1. ADC位数

n位ADC表示ADC总共具有2 n个功率标度. 8位ADC输出0-255之间的256个数字，这是2到8幂的数据标度.

2. 参考来源

参考源也称为参考电压，这是ADC的重要标准. 为了准确测量输入到ADC的信号，参考源必须首先准确. 参考源的偏差会导致转换结果的偏差，例如仪表尺. 总长度应为1米. 假设开了米尺，它实际上变成了1.2米. 如果使用此标尺测量物体的长度，自然会有很大的偏差. 如果我们的参考源应该是5.10V，而实际电源是4.5V，那么如果将4.5V视为5.10V，则偏差会相对较大.

3. 分辨率

当分辨率是数字量变化的最小刻度时，模拟信号的变化定义为满刻度范围与2n-1的比率. 假设5.10V的电压系统使用8位ADC进行测量，则相当于将0-255范围内的256标度将5.10V分为255个部分，则分辨率为5.10 / 255 = 0.02V.

INL（积分非线性）和DNL（微分非线性）

通常，很容易混淆分辨率和准确性这两个概念. 可以认为，分辨率越高，精度越高. 实际上，两者之间没有必要的联系. 分辨率用于描述标度划分，精度用于描述精度程度. 相同的米标尺具有相同的刻度数，并且分辨率相同，但是精度可能会有很大差异. 与ADC精度密切相关的两个指标是INL（积分非线性）和DNL（差分非线性）.

INL是指与ADC器件的所有数值相对应的模拟值，以及实际值和最大值之间的误差是ADC最重要的精度标准的点的误差值. 单位是LSB. LSB表示最低有效位数模转换芯片的转换速率，因此实际上对应的是ADC的分辨率. 基准电压为5.10V的8位ADC的分辨率为0.02V. 用它来测量电压信号，实际结果是100，这意味着它测量的电压值为100 * 0.02 = 2V（假设INL是1LSB），这意味着该电压信号的真实准确值在1.98之间V和2.02. 根据理想情况，对应的编号应为99-101，测量误差为最低有效位，即1LBS.

DNL表示ADC的两个相邻标度之间的最大差，单位也是LSB. 分辨率为1毫米的标尺在相邻刻度之间没有正好1毫米的距离，并且始终会出现大小误差. 同样，ADC的两个刻度并不总是完全等于分辨率，并且还会有误差. 这是DNL. 一个基准电压为5.10V的8位ADC，假设DNL为0.5LSB，则当其转换结果从100增加到101时，理想情况下实际电压应增加0.02V，但当DNL为0.5LSB时，实际电压电压介于0.01至0.03V之间，值得一提的是DNL不一定小于1LSB. 在许多情况下，它将等于或大于1LSB，在一定程度上是湍流的. 当实际电压保持不变时，ADC结果可能会在多个值之间跳变，这在很大程度上是出于这个原因（但并非完全如此，因为仍然存在很多干扰）.

5. 转换率

转换速率是指ADC每秒可执行采样转换的最大次数. 单位是sps（或s / s，sa / s，即每秒的样本数）. 它使用ADC执行从模拟到数字的转换. 所需的时间是相互关系. ADC有很多类型. 集成ADC的转换时间约为毫秒，这是一个低速ADC. 逐次逼近型ADC的转换时间很细微，是中速ADC. 并行/串行ADC的转换时间可以达到纳米. 第二，这是一个高速ADC.

首先，让我们熟悉ADC的主要指标. 对于其他人来说，作为入门级玩家，不必担心深入了解. 将来会遇到使用过程，然后寻找相关材料进行深入研究，目前的重点是在心中树立ADC的基本概念.

PCF8591

PCF8591是一款单电源，低功耗8位CMOS数据采集设备，具有4个模拟输入，1个模拟输出以及用于与微控制器通信的串行I2C总线接口. 针1、2、3和4是4个模拟输入，针5、6和7是I2C总线的硬件地址，针8是数字地GND，针9和10是SDA的SDA和SCL. I2C总线. 引脚12是时钟选择引脚. 如果连接到高电平，则意味着使用外部时钟输入. 如果连接到低电平，则使用内部时钟. 我们的电路使用内部时钟. 引脚13是模拟地AGND. 在实际开发中，如果有更复杂的模拟电路，则AGND部分需要在布局和布线上进行特殊处理，并且有很多连接到GND的方法. 在这里您可以先了解. 板上没有复杂的模拟部分电路，因此我们将AGND和GND连接在一起. 引脚14是参考源，引脚15是DAC的模拟输出，引脚16是电源VCC.

PCF8591的ADC是逐次逼近型，转换速率被认为是中等速度，但其速度瓶颈在I2C通信中. 由于I2C通讯速度较慢，因此PCF8591的最终转换速度直接取决于I2C通讯速率. 由于I2C速度的限制，PCF8591可被视为AD和DA的低速集成. 它主要用于转换速度不高且成本预计较低的场合，例如电池供电的设备. 达到一定值时，警报提示更换电池等.

软件编程

PCF8591的通信接口为I2C，因此编程必须符合此协议. 单片机初始化PCF8591，总共可以发送三个字节. 与EEPROM相似，第一个字节是设备地址字节，其中7位代表地址，1位代表读写方向. 地址的高4位固定为0b1001，低3位为A2，A1，A0. 这三个位连接到我们电路上的GND，因此为0b000. 发送到PCF8591的第二个字节将存储在控制寄存器中. 用于控制PCF8591的功能. 其中，第三和第七位置固定为0，其他六个位置具有各自的作用.

控制字节的第6位是DA使能位. 该位1表示DA输出引脚已启用数模转换芯片的转换速率，这将产生模拟电压输出功能. 第4位和第5位可用于将PCF8591的四个模拟输入配置为单端模式和差分模式. 17.5节介绍了单端模式和差分模式之间的区别. 在这里，您只需要知道这两位是配置AD输入模式的控制位即可.

控制字节的第二位是自动递增控制位. 自动递增的含义是，例如，我们共有4个通道. 使用完所有这些内容后，在读取通道0后，下次读取时，我们将自动输入通道1进行读取，而无需指定下一个通道. 由于A / D读取的数据是最后一次转换的结果，因此在使用自动递增功能时，学生应特别注意，当前的读数是前一个通道的值. 为了保持程序的性，我们的代码没有使用此功能，而是直接制作了一个通用程序.

控制字节的第0位和第1位是通道选择位. 00、01、10和11代表从0到3的总共4个通道选择.

第三个字节的D / A数据寄存器发送到PCF8591，指示D / A模拟输出的电压值. 稍后我们将介绍D / A仿真，每个人都知道该字节的作用. 如果仅使用A / D功能，则无法发送第三个字节.

/ *读取当前ADC转换值，chn-ADC通道号0〜3 * /

无符号字符GetADCValue（无符号字符chn）

{

unsigned char val;

I2CStart（）;

if（！I2CWrite（0x48

{

I2CStop（）;

返回0；

}

I2CWrite（0x40 | chn）; //写入控制字节，选择转换通道

I2CStart（）;

I2CWrite（（0x48

I2CReadACK（）; //首先读取一个空字节，提供示例转换时间

val = I2CReadNAK（）; //读取刚刚转换的值

I2CStop（）;

返回值；

}

DAC输出

在此处输入代码/ *以设置DAC输出值，val-set值* /

void SetDACOut（无符号字符）

{

I2CStart（）;

if（！I2CWrite（0x48

{

I2CStop（）;

返回；

}

I2CWrite（0x40）; //写入控制字节

I2CWrite（val）; //写入DA值

I2CStop（）;

}

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