單片機擴展I2C總線器件

教學(xué)內(nèi)容A/D與D/A轉(zhuǎn)換

單片機擴展I2C總線A/D與D/A轉(zhuǎn)換器PCF8591

第8章A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換模擬信號與數(shù)字信號模擬信號與數(shù)字信號

模擬信號(Analogsignal)是一種連續(xù)的信號。模擬信號分布于自然界的各個角落，如每天溫度變化、濕度變化、光線變化等，人類直接感受的就是模擬信號。而數(shù)字信號（Digitalsignal）是人為抽象出來的在時間上不連續(xù)的信號，并用0和1的有限組合來表示大自然的各種物理量。

模擬信號主要是指振幅和相位都連續(xù)變化的電信號，此信號可以用類比電路進行各種運算，如放大、相加、相乘等。數(shù)字信號是離散時間信號的數(shù)字化表示。A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換的器件，按轉(zhuǎn)換原理可分為四種：計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。目前最常用的A/D轉(zhuǎn)換器是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。前者的主要優(yōu)點是轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾性能好，價格便宜，但轉(zhuǎn)換速度較慢，一般用于速度要求不高的場合。后者是一種速度較快、精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間大約在幾s到幾百s之間。

D/A轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)數(shù)字量向模擬量轉(zhuǎn)換的器件，按照轉(zhuǎn)換原理分為權(quán)電阻電流式、R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)電壓分壓式、R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)電流式、等值電阻分壓式、PWM積分式等多種類型。A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)

分辨率分辨率表示轉(zhuǎn)換器對微小輸入量變化的敏感程度，通常用轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示。n位轉(zhuǎn)換器，其數(shù)字量變化范圍為0～2n-1，當(dāng)輸入電壓滿刻度為xV時，則轉(zhuǎn)換電路對輸入模擬電壓的分辨能力為X/(2n-1)。如果是8位的轉(zhuǎn)換器，5V滿量程輸入電壓時，則分辨率為5/（28-1）=1.22（mV）。A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)

轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的精度是指與數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之間的差值。A/D轉(zhuǎn)換電路中，與每個數(shù)字量對應(yīng)的模擬輸入量并非是一個單一的數(shù)值，而是一個范圍值△，其中△的大小理論上取決于電路的分辨率。定義△為數(shù)字量的最小有效位LSB。但在外界環(huán)境的影響下，與每一數(shù)字輸出量對應(yīng)的輸入量實際范圍往往偏離理論值△。精度通常用最小有效位的LSB的分?jǐn)?shù)值表示。目前常用的A/D轉(zhuǎn)換集成芯片精度為1/4～2LSB。A/D轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)

轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換速度是指ADC能夠重復(fù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。轉(zhuǎn)換時間則是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間（包括穩(wěn)定時間），是轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)。由于生產(chǎn)商在設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器時考慮了各種性能指標(biāo)對精度的影響，一般各種誤差都控制在最小分辨率以內(nèi)，所以，通常A/D轉(zhuǎn)換器選型時，分辨率和轉(zhuǎn)換速度是最重要的性能指標(biāo)。D/A轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)

分辯率

分辨率是D/A轉(zhuǎn)換器對輸入量變化敏感程度的描述，與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)。如果數(shù)字量的位數(shù)為n，則D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為2-n。這就意味著數(shù)/模轉(zhuǎn)換器能對滿刻度的2-n輸入量做出反應(yīng)。例如8位數(shù)的分辨率為1/256，10位數(shù)分辨率為1/1024等。因此數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率也就越高，亦即轉(zhuǎn)換器對輸入量變化的敏感程度也就越高。使用時，應(yīng)根據(jù)分辨率的需要來選定轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。DAC?？煞譃?位、10位、12位三種。D/A轉(zhuǎn)換器主要性能指標(biāo)

建立時間建立時間是描述D/A轉(zhuǎn)換速度快慢的一個參數(shù)，指從輸入數(shù)字量變化到輸出達到終值誤差±（1/2）LSB（最低有效位）時所需的時間。通常以建立時間來表示轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換器的輸出形式為電流時建立時間較短；而輸出形式為電壓時，由于建立時間還要加上運算放大器的延遲時間，因此建立時間要長一點。但總的來說，D/A轉(zhuǎn)換速度遠高于A/D轉(zhuǎn)換，例如快速的D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間可達1μs。單片機擴展I2C總線器件NXP半導(dǎo)體發(fā)明了一種簡單的雙向二線制串行通信總線，這個總線被稱為Inter-IC或者I2C總線。I2C總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)器件總地址

連接在I2C總線上的IC器件都必須有一個唯一的地址，該地址由器件地址和引腳地址組成，共7位。器件地址是I2C器件固有的地址編碼，在器件出廠時就已經(jīng)給定，由I2C總線委員會分配，不可更改。引腳地址由I2C總線器件的地址引腳（A2、A1、A0）決定，根據(jù)其在電路中接電源正極、接地或懸空的不同形式形成地址碼。引腳地址數(shù)決定了同一種器件可接入I2C總線的最大數(shù)目。I2C總線器件的地址格式如下：I2C時鐘和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

SDA和SCL通常各自通過一個電阻上拉為高電平。SDA總線上的數(shù)據(jù)僅在SCL為低電平期間可能改變。如果在SCL高電平期間數(shù)據(jù)發(fā)生改變，表示定義“開始”或“停止”兩種狀態(tài)。開始狀態(tài)

停止?fàn)顟B(tài)

SCL處于高電平時，SDA由低電平轉(zhuǎn)向高電平，表示一個“停止”狀態(tài)。該狀態(tài)表示一種操作的結(jié)束并將終止所有通訊。在一個讀序列之后，停止命令置EEPROM于待機模式。確認(rèn)應(yīng)答

A/D與D/A轉(zhuǎn)換器PCF8591

PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8位CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，其功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。它既可以作A/D轉(zhuǎn)換，也可以作D/A轉(zhuǎn)換，進行A/D轉(zhuǎn)換時為逐次比較型轉(zhuǎn)換。PCF8591器件的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過I2C總線，以串行的方式進行傳輸，PCF8591的最大轉(zhuǎn)換速率由I2C總線的最大速率決定。A/D與D/A轉(zhuǎn)換器PCF8591

控制寄存器

PCF8591的控制寄存器存放轉(zhuǎn)換控制字，用于設(shè)置器件的各種功能，如模擬信號由哪幾個通道輸入等，是總線操作時由主控器件向從器件PCF8591發(fā)送的第二字節(jié)。其格式如下所示。其中：D1、D0：A/D通道編號：00通道0，01通道1，10通道2，11通道3。

D2：自動增益選擇（有效位為1）。

D3：固定為0。

D5、D4：模擬量輸入選擇：00為四路單輸入、01為三路差分輸入、10為單端與差分配合輸入、11為兩路差分輸入。PCF8591D/A轉(zhuǎn)換（1）輸出數(shù)據(jù)：當(dāng)數(shù)據(jù)（包括地址和數(shù)據(jù)）由單片機送往PCF8591芯片時，稱為輸出數(shù)據(jù)（寫數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)總是按字節(jié)（8位）逐位串行輸出，每個時鐘脈沖輸出一位。SDA總線上的數(shù)據(jù)應(yīng)在SCL低電平期間改變（輸出），在SCL高電平期間穩(wěn)定。（2）輸入數(shù)據(jù)：當(dāng)單片機從PCF8591芯片的數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)時，稱為輸入數(shù)據(jù)（讀數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)總是按字節(jié)（8位）逐位串行輸入，每個時鐘脈沖輸入一位。同樣的，PCF8591芯片在SCL低電平期間將數(shù)據(jù)送往SDA總線，在SCL高電平期間SDA總線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可供接口設(shè)備讀取。輸出數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)（包括地址和數(shù)據(jù)）由接口設(shè)備送往PCF8591時，稱為輸出數(shù)據(jù)（寫數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)總是按字節(jié)（8位）逐位串行輸出，每個時鐘脈沖輸出一位。SDA總線上的數(shù)據(jù)應(yīng)在SCL低電平期間改變（輸出），在SCL高電平期間穩(wěn)定。輸入數(shù)據(jù)當(dāng)單片機從PCF8591的數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)時，稱為輸入數(shù)據(jù)（讀數(shù)據(jù)）。數(shù)據(jù)總是按字節(jié)（8位）逐位串行輸入，每個時鐘脈沖輸