51单片机 AD/DA 转换:从理论到实践

目录

学习目标

成果展示 

硬件知识

介绍

硬件电路模型 

电路

AD

DA

运算放大器

运放电路

电压比较器

反向放大器

同向放大器

电压跟随器

DA原理

T型电阻网络DA转换器

PWM型DA转换器

AD原理

逐次逼近型AD转换器

AD/DA性能指标

XPT2046

时序

代码 

AD 

DA

总结 


学习目标

        今天我们需要学习的是AD/DA转换,也就是数字信号与模拟信号之间的转换。模拟信号转换为数字信号我们使用可调电阻、光敏电阻和热敏电阻来实现,在光敏电阻小于100时(较暗),D1灯会自动亮;而数字信号转换为模拟信号我们使用实现DA呼吸灯来展示。

成果展示 

AD

DA

硬件知识

介绍

  • 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。
  • 硬件电路模型 

    AD:就是将电压量转换为数字量。

    DA:其实有点类似于PWM,最后经过一个低通滤波器,就能实现效果了。

  • 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
  • 电路

            这是一个简单的AD芯片(ADC0809),首先选择模拟开关,之后进行AD转换,再通过缓存器输出,就可以了。

     

    DA

            这是一个简单的DA芯片(ADC0832),首先输入数据,通过控制电路控制寄存器,最后通过一个DA转换器输出就成了。

    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)
  •  

    运放电路

    电压比较器

    这是电压比较器的作用,当+大于-的时候,输出VCC,当-大于+的时候,输出GDN。

    反向放大器

            通过分析虚短和虚段可以得到这个结论。

     

    同向放大器

    电压跟随器

      

     

    DA原理

    T型电阻网络DA转换器

     

            这个的具体过程就不做详细介绍,我们只需要知道每个开关相当于每个位,到时候只需要知道哪些开关闭合了就能知道放大了多少倍。 

     

    PWM型DA转换器

            这个的作用就是将交流滤掉,变成直流电压。

    AD原理

    逐次逼近型AD转换器

     逐次逼近型AD转换器的原理就是通过DAC不断变换去和输入的电压进行比较,直到找到一个合适的电压,输出对应数字量就行。

    AD/DA性能指标

  • 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
  • XPT2046

     

    时序

            CS作为片选,用来选择不同的设备,然后是DCLK上升沿为发送,下降沿为读出,DOUT是读出的值。

    代码 

    AD 

    // XRT2046.c
    #include <REGX52.H>
    #include "Delay.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 int ADValue = 0;
    	unsigned char i;
    	
    	XPY2046_DCLK = 0;
    	XPY2046_CS = 0;
    	for(i=0;i<8;i++)
    	{
    		XPY2046_DIN=Command&(0x80>>i);
    		XPY2046_DCLK=1;
    		Delay(1);
    		XPY2046_DCLK=0;
    	}
    
    	for(i=0;i<16;i++)
    	{
    		XPY2046_DCLK=1;
    		Delay(1);
    		XPY2046_DCLK=0;
    		if(XPY2046_DOUT){ADValue|=(0x8000>>i);}
    	}
    	XPY2046_CS=1;
    	if(Command & 0x08){
    	return ADValue>>8;
    	}else
    	return ADValue>>4;
    }

    // main.c
    #include <REGX52.H>
    #include "LCD1602.h"
    #include "Delay.h"
    #include "XPT2046.h"
    
    unsigned int ADValue1 = 0,ADValue2 = 0,ADValue3 = 0;
    
    sbit LED = P2^0;
    
    void main(){
    	LCD_Init();
    	LCD_ShowString(1,1,"ADD  NTC  GR");
    	while(1){
    		ADValue1 = XPT2046_ReadAD(XPT2046_XP_8);//读取AIN0,可调电阻
    		LCD_ShowNum(2,1 ,ADValue1,3);
    		ADValue2 = XPT2046_ReadAD(XPT2046_YP_8);//读取AIN1,热敏电阻
    		LCD_ShowNum(2,6 ,ADValue2,3);
    		ADValue3 = XPT2046_ReadAD(XPT2046_VBAT_8);//读取AIN2,光敏电阻
    		LCD_ShowNum(2,11 ,ADValue3,3);
    		if(ADValue3 < 100){// 光敏电阻小于100(较暗)就发光
    			 LED = 0;
    		}else{
    			 LED = 1;
    		}
    	}
    }

    DA

    //main.c
    #include <REGX52.H>
    #include "Delay.h"
    #include "Time0.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<90;i++)
    		{
    			Compare=i;			//设置比较值,改变PWM占空比
    			Delay(10);
    		}
    		for(i=90;i>0;i--)
    		{
    			Compare=i;			//设置比较值,改变PWM占空比
    			Delay(10);
    		}
    	}
    	
    }
    
    void Timer0_Routine() interrupt 1
    {
    	static unsigned int T0Count;
    	TL0 = 0xAD;		//设置定时初始值
    	TH0 = 0xFF;
    	Counter++;
    	Counter%=90;
    	if(Counter < Compare){
    		DA = 1;
    	}else
    	DA = 0;
    }

    总结 

            本节学习的是DA和AD,其中DA比较重要,而AD一般都能用PWM来实现,希望对大家有所帮助,如果有错误也希望能及时指出,谢谢大家。  

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