单片机中的15位模数转换（ADC）和数模转换（DAC）技术详解

1.AD转换及其相关背景知识

1.基本概念

1.什么是AD转换？

A（A，analog，模拟的，D，digital，数字的）

现实世界是模拟的，连续分布的，无法被分成有限份；

计算机世界是数字的，离散分布的，可以被分成有限份的

AD转换就是把一个物理量从模拟的转换成数字的。

2.AD转换的意义

想要计算机来实现现实世界

3.什么情况下需要AD转换

CPU是数字的【要准确的0V或者5V】

2.AD转换的原理

1.比较器

将差一点的电压转换为准确的二进制

所有的AD转换芯片内部都是用比较器来实现的。

2.和十进制转二进制有点像

使用除法

3.AD转换中的主要概念

1.位数

AD转换后转出来的二进制数由几位二进制来表示。【实际结果是一样大】

位数越多，越细腻。【精度越高】

2.量程

AD转换器可以接受的模拟量的范围

3.精度

精度==准确度

简单理解就是转出来有多准

【精度越小可靠率越高】

4.分辨率

AD转换器转出来的二进制数，每一格表示多少

5.转换速率（转换时间）

时间越短，速率越大

6.例子

输入电压范围：0-5V，AD转换输出位数是10，精度是0.01V

量程：0-5V

分辨率：（5-0）/2exp（10）=0.00488V

比如一次AD转换后得到数据为：【1010101010】，对应电压值：1010101010–>十进制：682，电压=682*0.00488=3.328V，考虑精度后为=3.33V

4.AD转换在系统中存在的方式

1.CPU外部扩展专用AD芯片

2.CPU内部集成AD模块（内部外设）

2.原理图和数据手册

https://www.semiee.com/file/ETEK/ETEK-ET2046.pdf

1.原理图

2.数据手册

 AIN0-AIN3：不能同时采集，同一时间只能采集一路

3.SPI接线

CLK接P1.0

CS接P1.1

DI接P1.2

DO接P1.3

4.3种模拟电压变化原理

AIN0靠滑动变阻器控制电压变化

AIN1靠热敏电阻NTC

AIN2靠光敏电阻

5.ET2046控制字

bit7：起始位【高表示开始传输】：1

bit6-bit4：决定采样哪一路（AIN1，AIN0，AINT2，AINT3）：

AIN0：001/011         X+

AIN1：101                Y+

AIN2：010                VBAT

AIN3：110                VBAT

bit3：设置ADC精度：【1：使用bit8位】【0：使用bit12位–一般使用这个】：0

bit2：【1：表示用单端模式】【0：表示差分模式（触摸屏）】：1

bit1：power down模式使能，00表示使能

 读AIN0：0b 1001 0100=0x94

读AIN1：0b 1101 0100=0xd4

读AIN2；0b 1010 0100=0xa4
读AIN3：0b 1110 0100=0xe4

AIN0：001/011         X+

AIN1：101                Y+

AIN2：010                VBAT

AIN3：110                VBAT

3.分析时序

1.时序图

1.SPI变种

回顾SPI知识点：【单片机】13-实时时钟DS1302-CSDN博客

有CS，DCLK，I/O

2.上升沿写入下降沿读出

之前DS1302（SPI）的时候也是这样

上升沿写入：当CLK为上升沿的时候，数据通过DI从SPI主设备写入到SPI从设备

下降沿读出：当CLK为下降沿的时候，数据通过DO从SPI从设备读入到SPI主设备

3.读写都是高位在前

之前DS1302（SPI）的时候是低位在前

4.注意写和读的交界点

2.官方例程分析

1.ET2046写数据

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : xpt2046_wirte_data
* 函数功能		 : XPT2046写数据
* 输    入       : dat：写入的数据
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void xpt2046_wirte_data(u8 dat)
{
	u8 i;

	CLK = 0;//可以忽略的
	_nop_();
	for(i=0;i<8;i++)//循环8次，每次传输一位，共一个字节
	{
		//先准备好数据，在置CLK=0
		DIN = dat >> 7;//先传高位再传低位
		dat <<= 1;//将低位移到高位
		CLK = 0;//CLK由低到高产生一个上升沿，从而写入数据
		_nop_();	
		CLK = 1;
		_nop_();
	}
}

2.ET2046读数据

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : xpt2046_read_data
* 函数功能		 : XPT2046读数据
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : XPT2046返回12位数据
*******************************************************************************/
u16	xpt2046_read_data(void)
{
	u8 i;
	u16 dat=0;

	CLK = 0;
	_nop_();
	for(i=0;i<12;i++)//循环12次，每次读取一位，大于一个字节数，所以返回值类型是u16
	{
		dat <<= 1;
		CLK = 1;
		_nop_();
		CLK = 0; //CLK由高到低产生一个下降沿，从而读取数据
		_nop_();
		dat |= DOUT;//先读取高位，再读取低位。	
	}
	return dat;	
}

3.ET2046返回AD值

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : xpt2046_read_adc_value
* 函数功能		 : XPT2046读AD数据
* 输    入       : cmd：指令
* 输    出    	 : XPT2046返回AD值
*******************************************************************************/
u16 xpt2046_read_adc_value(u8 cmd)
{
	u8 i;
	u16 adc_value=0;

	CLK = 0;//先拉低时钟
	CS  = 0;//使能XPT2046
	xpt2046_wirte_data(cmd);//发送命令字
	for(i=6; i>0; i--);//延时等待转换结果，这个时候进行AD转换
	CLK = 1;//发送应该
	_nop_();
	CLK = 0;//发送一个时钟，清除BUSY
	_nop_();
	adc_value=xpt2046_read_data();
	CS = 1;//关闭XPT2046
	return adc_value;
}

4.main函数

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : main
* 函数功能		 : 主函数
* 输    入       : 无
* 输    出    	 : 无
*******************************************************************************/
void main()
{	
	u16 adc_value=0;
	float adc_vol;//ADC电压值
	u8 adc_buf[3];

	while(1)
	{	
		//0x94：对应AINT0--0b 1001 1100			
		adc_value=xpt2046_read_adc_value(0x94);//测量电位器
		adc_vol=5.0*adc_value/4096;//将读取的AD值转换为电压
		adc_value=adc_vol*10;//放大10倍，即保留小数点后一位
		adc_buf[0]=gsmg_code[adc_value/10]|0x80;
		adc_buf[1]=gsmg_code[adc_value%10];
	   	adc_buf[2]=0x3e;//显示单位V
		smg_display(adc_buf,6);		
	}		
}

4.代码实践【AD转换】

1.将12bit位的数值分2次输出

//AD value是12bit的，分2波出去【因为一次只能输出8位】
void uart_send_advalue(u16 val){
	uart_send_byte((val>>8)&0xff);	//高8位
	uart_send_byte(val&0xff);	//低8位
	uart_send_byte(0);//分割符
}

2. 计算电压值

3.读取AD数值：

ET2046.c

#include"ET2046.h"

/*******************************************************************************
* 函 数 名       : xpt2046_read_adc_value
* 函数功能		 : XPT2046读AD数据
* 输    入       : cmd：指令
* 输    出    	 : XPT2046返回AD值
*******************************************************************************/
u16 xpt2046_read_adc_value(u8 cmd)
{
	u8 i;
	u16 adc_value=0; //局部变量的初始化非常重要

	CLK = 0;//先拉低时钟
	CS  = 0;//使能XPT2046
	
	//写入数据
	for(i=0;i<8;i++)//循环8次，每次传输一位，共一个字节
	{
		//先准备好数据，在置CLK=0
		DIN = cmd >> 7;//先传高位再传低位
		cmd <<= 1;//将低位移到高位
		CLK = 0;//CLK由低到高产生一个上升沿，从而写入数据
		_nop_();	
		CLK = 1;
		_nop_();
	}
	
	
	for(i=6; i>0; i--);//延时等待转换结果，这个时候进行AD转换
	CLK = 1;//发送应该
	_nop_();
	CLK = 0;//发送一个时钟，清除BUSY
	_nop_();
	
	
	for(i=0;i<12;i++)//循环12次，每次读取一位，大于一个字节数，所以返回值类型是u16
	{
		adc_value <<= 1;
		CLK = 1;
		_nop_();
		CLK = 0; //CLK由高到低产生一个下降沿，从而读取数据
		_nop_();
		adc_value |= DOUT;//先读取高位，再读取低位。	
	}
	
	

	CS = 1;//关闭ET2046
	return adc_value;
}

ET2046.h

#ifndef _xpt2046_H
#define _xpt2046_H


#include "reg51.h"
#include  "intrins.h" 

typedef unsigned int u16;	//对系统默认数据类型进行重定义
typedef unsigned char u8;
typedef unsigned long u32;



//管脚定义
sbit DOUT = P1^3;	  //输出
sbit CLK  = P1^0;	  //时钟
sbit DIN  = P1^2;	  //输入
sbit CS   = P1^1;	  //片选


//函数声明
u16 xpt2046_read_adc_value(u8 cmd);

#endif

main.c

#include"ET2046.h"
#include"uart.h"

#define CMD_READ_AIN0 0x94	//滑动变阻器
#define CMD_READ_AIN1 0xD4	//NTC--热敏电阻
#define CMD_READ_AIN2 0xA4	//GR1--光敏电阻
#define CMD_READ_AIN3 0xE4	//外部输入的电压值


void Delay400000us()		//@11.0592MHz
{
	unsigned char i, j, k;

	_nop_();
	_nop_();
	i = 17;
	j = 208;
	k = 27;
	do
	{
		do
		{
			while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}



//AD value是12bit的，分2波出去【因为一次只能输出8位】
void uart_send_advalue(u16 val){
	uart_send_byte((val>>8)&0xff);	//高8位
	uart_send_byte(val&0xff);	//低8位
	uart_send_byte(0);//分割符
}


void main(){
	
	//注意：定义一个变量要记得初始化，要不然后面可能出现问题
	u16 val=0;//12bit数值
	
	uart_init();
	
	while(1){
		val=xpt2046_read_adc_value(CMD_READ_AIN0);
	
		uart_send_advalue(val);
		
		Delay400000us();
	}
}

4.串口直接显示电压值

1.关键点

（1）直接显示电压值，而不是采样AD值

（2）以文本方式显示，而不是十六进制方式

2.将数值转换为十进制

//以文本方式发送c过去，意思就是要串口助手用文本方式来查看，看到的是
//这个数字本身
void uart_send_text(unsigned char c){
	//思路就是把c以十进制方式显示的几个数字，挨个变成文本发出去
	unsigned char i;//因为c是unsigned char 范围是0-255
	
	//先计算得出c的最高位，然后发出去
	i=c/100;
	uart_send_byte(i+48);//+48是对应ASCII
	
	//计算次高位
	c=c%100;
	i=c/10;
	uart_send_byte(i+48);
	
	//计算个位
	c=c%10;
	i=c;
	uart_send_byte(i+48);
	
	//发送一个换行
	uart_send_byte('\r');
	uart_send_byte('\n');
}

因为我们这里的电压是5V，对应5000mV，明显上面的0-255不在范围内，所以我们要求传入的是unsigned int c，【0-2的16次方】才足够

//因为这个函数的范围是unsigned char---->是2的8次方
//但是我们最大电压值为：5V----5000mV，所以我们这里要使用unsigned int
//以文本方式发送c过去，意思就是要串口助手用文本方式来查看，看到的是
//这个数字本身
void uart_send_text2(unsigned int c){
	//思路就是把c以十进制方式显示的几个数字，挨个变成文本发出去
	unsigned char i;//因为c是unsigned char 范围是0-255
	
	//因为我们知道电压值不会超过5000mV，所以只考虑显示1万以内的数据
	//先计算得出c的最高位，然后发出去
	i=c/1000;
	uart_send_byte(i+48);//+48是对应ASCII
	
	c=c%1000;
	i=c/100;
	uart_send_byte(i+48);//+48是对应ASCII
	
	//计算次高位
	c=c%100;
	i=c/10;
	uart_send_byte(i+48);
	
	//计算个位
	c=c%10;
	i=c;
	uart_send_byte(i+48);
	
	//发送一个换行
	uart_send_byte('\r');
	uart_send_byte('\n');
}

5.DA转换

将数字转换为模拟的

1.DA转换的原理

为了让数字量转换成模拟量，必须将每一位代码按其权重的大小转换为相应的模拟量，然后再把这些模拟量相加。

2.原理图和案例分析

1.运算放大器（LM358）

放大作用：将数字信号—–》模拟信号

隔离作用：防止输出信号影响输入信号

2.PWM数字信号

当输入的PWM数字信号一直为1，则输出的模拟信号一直为高电压

如果输入的PWM数字信号一直为0，则输出的模拟信号一直为低电压

关键点：取决于输入的PWM信号的高低电平所占的时间。【连续变化的模拟量】

3.LM358

其实不接LM358，直接用IO口连接LED实现现象也一样。（说明灯的亮度只与PWM输入的电压值的大小有关）

4.注意点

真正的DA一般是专用芯片或者CPU内置模块，给数字值输出平滑模拟量