带你了解51单片机AD/DA转换

AD（Analog to Digital）：模拟-数字转换，将模拟信号转换为计算机可操作的数字信号

DA（Digital to Analog）：数字-模拟转换，将计算机输出的数字信号转换为模拟信号

AD/DA转换打开了计算机与模拟信号的大门，极大的提高了计算机系统的应用范围，也为模拟信号数字化处理提供了可能

2.硬件电路模型

AD转换通常有多个输入通道，用多路选择开关连接至AD转换器，以实现AD多路复用的目的，提高硬件利用率

AD/DA与单片机数据传送可使用并口（速度快、原理简单），也可使用串口（接线少、使用方便）

可将AD/DA模块直接集成在单片机内，这样直接写入/读出寄存器就可进行AD/DA转换，单片机的IO口可直接复用为AD/DA的通道

数字量和模拟量成正比关系

注：这里的串口和51单片机其他模块的串口不一样；DA使用比较少，AD使用比较多

3.硬件电路

ADC0809：

通过IN0~IN7输入信号，具体要输入什么信号，就要靠地址锁存与译码，A/D转换信号要靠START（开始转换）、EOC（结束转换）、CLOCK（转换时序）将信号通过锁存器进行输出缓存，最后靠输出使能（OE）给输出出去DB0~DB7

DAC0832：

输入信号D0~D7，放在两个寄存器（8位输入寄存器、8位DAC寄存器）里面，再同时ILE~XFER这些发出输出信号，然后两个寄存器就能通过8位D/A转换器输出信号

以上的ADC0809和DAC0832这两个芯片比较经典简单，比较容易理解，但不推荐使用这两个芯片，年代有点远。

PCF8591（推荐使用）

使用简单，用II2C总线的读写，就可以实现AD和DA的功能

ADC模块：

AIN0\AIN1\AIN2:光敏、热敏、可调节；数字量（0-255）、模拟量（0-5V）；ADC触摸屏芯片

DAC模块：

在P21输出PWM波形，通过这个低通率波，就可以使用了

4.运算放大器

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的放大电路单元。内部集成了差分放大器、电压放大器、功率放大器三级放大电路，是一个性能完备、功能强大的通用放大电路单元，由于其应用十分广泛，现已作为基本的电路元件出现在电路图中

运算放大器可构成的电路有：电压比较器、反相放大器、同相放大器、电压跟随器、加法器、积分器、微分器等

运算放大器电路的分析方法：虚短、虚断（负反馈条件下）

虚短：在电路负反馈的状态下，负极电压等于正极电压；虚断：在负反馈电路中输入阻抗大的时候无法流入和流出

5.运放电路

电压比较器

反向放大器：

负反馈电路性质：V负＞V正→VOUT=负，VOUT会负反馈V负，抑制，当V负=V正时，电路稳定了VOUT就停止反馈了。V负＜V正→VOUT=正，VOUT一样会正反馈V负，同理。

公式的推导：因为这个电路是负反馈的，有虚短的性质，运算放大器负极和正极都等于0V，输入VIN电压，电流等于VIN/R1，因为流入阻抗大，有虚断的性质，无法流入运算放大器，所以只能流过R2，所以电流R2等于R1的电流，R2的电压等于VIN/R1×R2，VOUT等于R2左边的节点-VIN/R1×R2，最后推导公式为-R2/R1×VIN。有时这个电路也不方便，因为需要双电源

同向放大器：

因为这个电路也是负反馈电路，也拥有虚短和虚断的性质，因为虚短性质运算放大器的负极等于正极等于VIN，运算放大器的负极的电流会流向R1和R2，R2的电流为VIN/R1，因为R2的极性是右正左负，产生一个和R1相同的电流，这样VOUT等于VIN/R1×R2+VIN。会方便很多，不需要双电源

电压跟随器：

是同向放大器的一个变形，可以增加信号的驱动能力

6.DA原理

T型电阻网络DA转换器：

DAC0832中的8位D/A转换器的具体电路图。D7~D0给高电平，控制模拟开关的断开闭合；运算放大器处于一个负反馈电路，拥有虚短和虚断的性质，运算放大器正极接地，因为虚短负极电压为0，所以，两跟线电压为0；电路总电阻为R，电流关系：I1 = 2 I0, I2 = 2 I1……I7 = 2 I6 ---> Ix = 2^x I0，故而达到了二进制的位权的效果,所以有了下面的公式。I0 = 1/256*VREF/R ，当Rfb = R时，输入多少就输出多少

PWM型DA转换器：

低通滤波器用于过滤交流分量；电压跟随器用于增加信号的驱动能力；占空比：开始时间/总时间（开始时间+结束时间）

7.AD原理

AD大概思路：就是我不知道这个输入的电压的大小，就接一个已知的电压，与未知的电压进行比较，这样就间接的就用已知电压表示未知的电压

逐次逼近型AD转换器：

输出数字量 (D7~D0)=V_IN/V_REF×256 …… 结果取整

8.AD/DA性能指标

有很多这里只列举了两个，这两个比较常用

分辨率：

指AD/DA数字量的精细程度，通常用位数表示。例如，对于5V电源系统来说，8位的AD可将5V等分为256份，即数字量变化最小一个单位时，模拟量变化5V/256=0.01953125V，所以，8位AD的电压分辨率为0.01953125V，AD/DA的位数越高，分辨率就越高

转换速度：

表示AD/DA的最大采样/建立频率，通常用转换频率或者转换时间来表示，对于采样/输出高速信号，应注意AD/DA的转换速度

9.XPT2046

10.XPT2046时序

CS：片选、共用线：DCLK时钟、DIN输入、DOUT输出

11. AD模数转换代码（实现单片机内部电阻阻值可视化）

第一步：

把延时、液晶屏LCD模块复制粘贴到本工程

第二步：

建立XPT2046源文件和头文件

第三步：

接口引脚定义：CS\DCLK\DIN\DOUT

第四步：

根据上面时序在XPT2046.c写代码，不要管这么多内部的实现方法，因为已经集成了，直接用就可以了

第五步：

在XPT2046.h中根据单端模式输入配置中的各个通道进行宏定义

第六步：

主函数调用

最终代码：

模块：

XPT2046.c

#include <REGX52.H>
#include <INTRINS.H>

//引脚定义
sbit XPY2046_DIN=P3^4;
sbit XPY2046_CS=P3^5;
sbit XPY2046_DCLK=P3^6;
sbit XPY2046_DOUT=P3^7;

/**
  * @brief  ZPT2046读取AD值
  * @param  Command 命令字，范围：头文件内定义的宏，结尾的数字表示转换的位数
  * @retval AD转换后的数字量，范围：8位为0~255，12位为0~4095
  */
unsigned int XPT2046_ReadAD(unsigned char Command)
{
	unsigned char i;
	unsigned int Data=0;
	XPY2046_DCLK=0;
	XPY2046_CS=0;
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		XPY2046_DIN=Command&(0x80>>i);
		XPY2046_DCLK=1;
		XPY2046_DCLK=0;
	}
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		XPY2046_DCLK=1;
		XPY2046_DCLK=0;
		if(XPY2046_DOUT){Data|=(0x8000>>i);}
	}
	XPY2046_CS=1;
	return Data>>8;
}

XPT2046.h

#ifndef __XPT2046_H__
#define __XPT2046_H__

#define XPT2046_VBAT	0xAC
#define XPT2046_AUX		0xEC
#define XPT2046_XP		0x9C	//0xBC
#define XPT2046_YP		0xDC

unsigned int XPT2046_ReadAD(unsigned char Command);

#endif

main.c

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "LCD1602.h"
#include "XPT2046.h"

unsigned int ADValue;

void main(void)
{
	LCD_Init();
	LCD_ShowString(1,1,"ADJ  NTC  GR");
	while(1)
	{
		ADValue=XPT2046_ReadAD(XPT2046_XP);		//读取AIN0，可调电阻
		LCD_ShowNum(2,1,ADValue,3);				//显示AIN0
		ADValue=XPT2046_ReadAD(XPT2046_YP);		//读取AIN1，热敏电阻
		LCD_ShowNum(2,6,ADValue,3);				//显示AIN1
		ADValue=XPT2046_ReadAD(XPT2046_VBAT);	//读取AIN2，光敏电阻
		LCD_ShowNum(2,11,ADValue,3);			//显示AIN2
		Delay(100);
	}
}

12.DA数模转换代码

因为DA数模转换的原理就是PWM,只是多了一个低通滤波，所以我们直接把直流电机调速的工程直接复制，直流电机调速的代码在小编的51单片机直流电机实验中

第一步：

更改I/O的定义

第二步：

改名字，在主函数里面将代码中Motor改成DA

第三步：

将按键和数码管模块删除，在主函数里面讲按键和数码管相关代码删除

第四步：

修改主函数

最终代码：

模块：

main.c

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "Timer0.h"

sbit DA=P2^1;

unsigned char Counter,Compare;	//计数值和比较值，用于输出PWM
unsigned char i;

void main()
{
	Timer0_Init();
	while(1)
	{
		for(i=0;i<100;i++)
		{
			Compare=i;			//设置比较值，改变PWM占空比
			Delay(10);
		}
		for(i=100;i>0;i--)
		{
			Compare=i;			//设置比较值，改变PWM占空比
			Delay(10);
		}
	}
}

void Timer0_Routine() interrupt 1
{
	TL0 = 0x9C;		//设置定时初值
	TH0 = 0xFF;		//设置定时初值
	Counter++;
	Counter%=100;	//计数值变化范围限制在0~99
	if(Counter<Compare)	//计数值小于比较值
	{
		DA=1;		//输出1
	}
	else				//计数值大于比较值
	{
		DA=0;		//输出0
	}
}