第8章 A/D转换与D/A转换 教学内容 A/D与D/A转换 单片机扩展I2C总线 A/D与D/A转换器PCF8591

模拟信号与数字信号

模拟信号与数字信号 模拟信号(Analog signal)是一种连续的信号。模拟信号分布于自然界的各个角落，如每天温度变化、湿度变化、光线变化等，人类直接感受的就是模拟信号。而数字信号（Digital signal）是人为抽象出来的在时间上不连续的信号，并用0和1的有限组合来表示大自然的各种物理量。 模拟信号主要是指振幅和相位都连续变化的电信号，此信号可以用类比电路进行各种运算，如放大、相加、相乘等。数字信号是离散时间信号的数字化表示。

A/D转换与D/A转换 A/D转换器是实现模拟量向数字量转换的器件，按转换原理可分为四种：计数式A/D转换器、双积分式A/D转换器、逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器。 目前最常用的A/D转换器是双积分式A/D转换器和逐次逼近式A/D转换器。前者的主要优点是转换精度高，抗干扰性能好，价格便宜，但转换速度较慢，一般用于速度要求不高的场合。后者是一种速度较快、精度较高的转换器，其转换时间大约在几s到几百s之间。 D/A转换器是实现数字量向模拟量转换的器件，按照转换原理分为权电阻电流式、R-2R电阻网络电压分压式、R-2R电阻网络电流式、等值电阻分压式、PWM积分式等多种类型。

A/D转换器主要性能指标 分辨率 分辨率表示转换器对微小输入量变化的敏感程度，通常用转换器输出数字量的位数来表示。n位转换器，其数字量变化范围为0～2n-1，当输入电压满刻度为xV时，则转换电路对输入模拟电压的分辨能力为X/(2n-1)。如果是8位的转换器，5V满量程输入电压时，则分辨率为5/（28-1）=1.22（mV）。

A/D转换器主要性能指标 转换精度 A/D转换器的精度是指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之间的差值。A/D转换电路中，与每个数字量对应的模拟输入量并非是一个单一的数值，而是一个范围值△，其中△的大小理论上取决于电路的分辨率。定义△为数字量的最小有效位LSB。但在外界环境的影响下，与每一数字输出量对应的输入量实际范围往往偏离理论值△。 精度通常用最小有效位的LSB的分数值表示。目前常用的A/D转换集成芯片精度为1/4～2LSB。

A/D转换器主要性能指标 转换速度与转换时间 转换速度是指ADC能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。转换时间则是指完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），是转换速率的倒数。 由于生产商在设计A/D转换器时考虑了各种性能指标对精度的影响，一般各种误差都控制在最小分辨率以内，所以，通常A/D转换器选型时，分辨率和转换速度是最重要的性能指标。

D/A转换器主要性能指标 分辩率 分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述，与输入数字量的位数有关。如果数字量的位数为n，则D/A转换器的分辨率为2-n。这就意味着数/模转换器能对满刻度的2-n输入量做出反应。例如8位数的分辨率为1/256，10位数分辨率为1/1024等。因此数字量位数越多，分辨率也就越高，亦即转换器对输入量变化的敏感程度也就越高。使用时，应根据分辨率的需要来选定转换器的位数。DAC常可分为8位、10位、12位三种。

D/A转换器主要性能指标 建立时间 建立时间是描述D/A转换速度快慢的一个参数，指从输入数字量变化到输出达到终值误差±（1/2）LSB（最低有效位）时所需的时间。通常以建立时间来表示转换速度。转换器的输出形式为电流时建立时间较短；而输出形式为电压时，由于建立时间还要加上运算放大器的延迟时间，因此建立时间要长一点。但总的来说，D/A转换速度远高于A/D转换，例如快速的D/A转换器的建立时间可达1μs。

单片机扩展I2C总线器件 NXP 半导体发明了一种简单的双向二线制串行通信总线，这个总线被称为Inter-IC 或者I2C 总线。

I2C总线系统结构

器件总地址 连接在I2C总线上的IC器件都必须有一个唯一的地址，该地址由器件地址和引脚地址组成，共7位。器件地址是I2C器件固有的地址编码，在器件出厂时就已经给定，由I2C总线委员会分配，不可更改。引脚地址由I2C总线器件的地址引脚（A2、A1、A0）决定，根据其在电路中接电源正极、接地或悬空的不同形式形成地址码。引脚地址数决定了同一种器件可接入I2C总线的最大数目。 I2C总线器件的地址格式如下：

I2C时钟和数据转换 SDA和SCL通常各自通过一个电阻上拉为高电平。SDA总线上的数据仅在SCL为低电平期间可能改变。如果在SCL高电平期间数据发生改变，表示定义“开始”或“停止”两种状态。

开始状态

停止状态 SCL处于高电平时，SDA由低电平转向高电平，表示一个“停止”状态。该状态表示一种操作的结束并将终止所有通讯。在一个读序列之后，停止命令置EEPROM于待机模式。

确认应答

A/D与D/A转换器PCF8591 PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8位CMOS数据获取器件，其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。它既可以作A/D转换，也可以作D/A转换，进行A/D转换时为逐次比较型转换。PCF8591器件的地址、控制和数据信号都是通过I²C总线，以串行的方式进行传输，PCF8591的最大转换速率由I²C总线的最大速率决定。

A/D与D/A转换器PCF8591

控制寄存器 PCF8591的控制寄存器存放转换控制字，用于设置器件的各种功能，如模拟信号由哪几个通道输入等，是总线操作时由主控器件向从器件PCF8591发送的第二字节。其格式如下所示。 其中：D1、D0：A/D通道编号：00通道0，01通道1，10通道2，11通道3。 D2：自动增益选择（有效位为1）。 D3：固定为0。 D5、D4：模拟量输入选择：00为四路单输入、01为三路差分输入、10为单端与差分配合输入、11为两路差分输入。

PCF8591 D/A转换 （1）输出数据：当数据（包括地址和数据）由单片机送往PCF8591芯片时，称为输出数据（写数据）。数据总是按字节（8位）逐位串行输出，每个时钟脉冲输出一位。SDA总线上的数据应在SCL低电平期间改变（输出），在SCL高电平期间稳定。 （2）输入数据：当单片机从PCF8591芯片的数据线上读取数据时，称为输入数据（读数据）。数据总是按字节（8位）逐位串行输入，每个时钟脉冲输入一位。同样的，PCF8591芯片在SCL低电平期间将数据送往SDA总线，在SCL高电平期间SDA总线上的数据稳定，可供接口设备读取。

输出数据 当数据（包括地址和数据）由接口设备送往PCF8591时，称为输出数据（写数据）。数据总是按字节（8位）逐位串行输出，每个时钟脉冲输出一位。SDA总线上的数据应在SCL低电平期间改变（输出），在SCL高电平期间稳定。

输入数据 当单片机从PCF8591的数据线上读取数据时，称为输入数据（读数据）。数据总是按字节（8位）逐位串行输入，每个时钟脉冲输入一位。在SCL低电平期间将数据送往SDA总线，在SCL高电平期间SDA总线上的数据稳定，可供接口设备读取。

本章小结 本章介绍模数和数模转换的原理，主要内容如下。 A/D转换的基本原理。 D/A转换的基本原理。 I2C总线的基本原理和操作。 PCF8591芯片的基本结构和应用。 简易数字电压表的设计。 简易信号发生器制作。