【51单片机入门记录】A/D D/A转换器概述

目录

一、A/D D/A转换器简介

（1）模数转换器-ADC （analogue-to-digital conversion）

（2）数模转换器-DAC（digital-to-analogue conversion） 

（3）应用场景

二、ADC原理

（1）A/D转换原理

双积分型：

逐次逼近型：

并联比较型：

（2）A/D转换性能指标

三、DAC原理

（1）主要原理方法

权电阻网络：

R-2R倒T形电阻网络：

电流型DAC：

（2）D/A转换性能指标

四、A/D、D/A转换器PCF8591概述

（1）PCF8591简介

（2）PCF8591功能

（3）特征

（4）引脚图

（5）PCF8591器件寻址

一、A/D D/A转换器简介

（1）模数转换器-ADC （analogue-to-digital conversion）

模拟信号只有通过A／D转化为数字信号后才能用软件进行处理，这一切都是通过A／D转换器（ADC）来实现的。与模数转换相对应的是数模转换，数模转换是模数转换的逆过程。

（2）数模转换器-DAC（digital-to-analogue conversion） 

又称D／A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D／A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。

（3）应用场景

需要将检测到的连续变化的模拟量转换为数字量进行处理如：温度、压力、流量、速度、光强等；

智能手机触摸信号需要转换为数字信号才能分辨触摸位置、数字去抖；

打电话或者麦克风需要将模拟声信号转换为数字信号以便存储回放、语音识别；

手机和基站之间的通信是模拟电磁信号，同样需要高性能的ADC将其转化为数字信号，才能变成各位看到的电影、微博（当然没这么简单）。

二、ADC原理

（1）A/D转换原理

双积分型：

双积分型通过对模拟电压对电容充放电的积分时间的计数，得到输入模拟量在转换期间的平均值的数字量。

·转换分辨率和精度较高、抗干扰力强、价格便宜等优点

·转换的速度较慢，通常为数十到数百毫秒转换一次。

逐次逼近型：

逐次逼近型的ADC在片内将模拟量和由一个数字量对应的模拟量进行比较，根据比较结果，逐位调整原数字量，最终确定一个最接近原模拟量的数字量作为结果。

·优缺点介于双积分型和并联比较型之间，即速度较快（转换时间为微秒级）、分辨率中等、价格中等。

并联比较型：

并联比较型ADC在片内使用多个比较器，仅作一次比较就确定最接近原模拟量的数字量，因此转换速率极高（转换时间为纳秒级），又称为Flash（闪速）型

（2）A/D转换性能指标

  • 分辨率：指数字量变化一个最小量时对应的模拟信号的变化量，对于的模拟信号变化的范围，它代表了A／D 转换器对模拟输入量微小变化的分辨能力；
  • 转换时间：指A／D转换器完成一次A／D转换所需要的时间；
  • 精度：指的是A／D转换器转换的数字量理论上对应的模拟量，与实际输入模拟量的差别。精度代表的差别应该是排除了有限分辨率带来的量化误差而剩下的误差值；
  • 其他指标还有线性误差、偏移误差、满刻度误差、量程、电源灵敏度等

三、DAC原理

（1）主要原理方法

权电阻网络：

权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压VREF，以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。转换分辨率和精度较高、抗干扰力强、价格便宜等优点；转换的速度较慢，通常为数十到数百毫秒转换一次。

R-2R倒T形电阻网络：

R-2R倒T形电阻网络由若干个相同的R、2R网络节组成，每节对应于一个输入位。节与节之间串接成倒T形网络。R-2R倒T形电阻网络DAC是工作速度较快、应用较多的一种。

电流型DAC：

电流型DAC则是将恒流源切换到电阻网络中，恒流源内阻极大，相当于开路，所以连同电子开关在内，对它的转换精度影响都比较小，又因电子开关大多采用非饱和型的ECL开关电路，使这种DAC 可以实现高速转换，转换精度较高；

（2）D/A转换性能指标

分辨率：DAC的分辨率是指最小输出电压与最大输出电压之比，也就是模拟满量程范围被2n-1分割所对应的模拟值。模拟满量程范围一般指的就是参考电压VREF；

转换速度：转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始，到输出电压稳定在FSR±1／2LSB范围（或以FSR±x％FSR指明范围）内为止，这段时间称为建立时间，它是DAC的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢；

转换精度：D／A转换器的转换精度与D／A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。在D／A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差；

其他指标：满量程范围、线性误差、满刻度误差、电源灵敏度等

四、A/D、D/A转换器PCF8591概述

（1）PCF8591简介

  • PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。
  • PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行12C总线接口。
  • PCF8591的3个地址引脚A0，A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个12C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
  • 在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

（2）PCF8591功能

PCF8591的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换。PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。

（3）特征

  • 单电源供电
  • 工作电压：2.5V～6V
  • 待机电流低
  • 12C总线串行输入／输出
  • 通过3个硬件地址引脚编址
  • 采样速率取决于12C总线速度
  • 4个模拟输入可编程为单端或差分输入
  • 自动增量通道选择
  • 模拟电压范围：VSS～VDD
  • 片上跟踪与保持电路
  • 8位逐次逼近式A／D转换
  • 带一个模拟输出的乘法DAC

（4）引脚图

AINO～AIN3：模拟信号输入端。

A0～A3：引脚地址端。

VDD、VSS：电源端。（2.5～6V）

SDA、SCL：12C总线的数据线、时钟线。

OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。

EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT 接地。

AGND：模拟信号地。

（5）PCF8591器件寻址

  • PCF8591采用典型的I2C总线接口器件寻址方法,即总线地址由器件地址、引脚地址和方向位组成。
  • 由PHILIPS公司规定AD器件地址为1001，引脚地址为A2A1A0，其值由用户选择因此系统中最多可接8个具有I2C接口的器件，地址的最后一位为方向为R/W，当主控器对A/D器件进行读操作时为 1，进行写操作时为0，总线操作时，由器件地址、引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。

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