AutoLeaders控制组——51单片机学习笔记（AD/DA、红外遥控）

本篇内容是观看B站江科大自化协UP主的教学视频所做的笔记，对其中内容有所引用，并结合自己的单片机板块进行了更改调整。

以下笔记内容以一个视频为一个片段（内容较多，可能不适合速食，望见谅）

一些内容涉及前面的知识点，可能需要提前了解（可以翻看本人之前的文章或者去B站看UP主的视频）

16-1 AD/DA

AD/DA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。

  （如单片机只能识别0与5V数字信号，当输入为2.5V——模拟信号时，就需要转化为单片机所能读取的数字信号）

• 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。

  （如单片机需要通过转换，才能发送除0、5V外的模拟信号）

• 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。

光敏电阻：

运行原理如上，当感光变化后，光敏电阻阻值变化，使得高电平另一端的电压（图中黑点）发生变化（模拟信号）；经过AD转化为数字信号从而读取信息。

热敏电阻：

原理同上，将光敏电阻替换为热敏电阻即可。

麦克风：

将说话的声音转化为数字信号（一连串的），然后通过AD采集，转换为计算机可读取的数字信号（因为不是所有的数字信号计算机都可以采集）。

扬声器：

通过将音乐对应的数字信号通过DA转换为实际电压（连续的电压波形），通过麦克风处理即可听到存储的音乐。

硬件电路

硬件电路模型

• PS：上图的模拟量与数字量呈正比关系。（即255对应5V，0对应0V，255/2对应2.5V，以此类推）。

• 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。

  （即一个AD可接多个模拟量检测，通过切换进行选择模拟量检测）

• 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）。

  ——这里的串口不是之前沟通两个设备的串口。

• 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。

• 补充：AD一般多个通道，而DA一般只有一个通道（因为需要输出连续的信号，多个通道容易错乱）；且DA一般可以用PWM进行替代。

实际硬件电路

单片机上原理图：

有时AD/DA会在后面加上C，但也代表AD/DA模块。

ADC模块封装在触摸屏芯片上（有兴趣可以了解触摸屏部分知识），利用的是SPI总线通信，

DAC模块约等于PWM部分（PWM模块加上一个低通滤波即可与DA效果相同）

来自搜索：低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过， 但高于 截止频率 的信号不能通过的电子滤波装置。

芯片原理介绍（以旧版的较为经典的芯片为例）：

ADC芯片：

1. DB0~DB7为输出的八个数据；

2. IN0~IN7为输入的八个通道（8路），通过8路模拟开关进入A/D转换；

3. ADDA~ADDC负责控制8路模拟开关的操作，选择读取哪一路的数值；

4. A/D转换上方的三个引脚控制A/D转换，

   其中START控制A/D开始转换，

   EOC为转换结束和时钟信号，可以将输出的电压转换为一定的信号，并通过锁存器进行输出缓存，

   CLOCK负责锁存器的输出控制，

   OE负责输出使能，将数据输出出去。

5. 右边的图为其实际的芯片图。

DAC芯片：

1. D0~D7为其输入数据，存储于8位输入寄存器中；
2. 8位DAC寄存器用于多路同步输出，可以将两次数据分别放于8位输入与DAC寄存器中，然后同时给输出信号进行输出；
3. 其中CS、WR1、WR2、XFER（上方均有一横线）负责控制8位输入与DAC寄存器输出。

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（不是像电阻那样的单独元件）。

  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）。

放大器符号：

正号为同相输出端，负号为反相输出端；

有时会加上集成电路的电源（即在输出端与三角形交点处上面接一个电源，下面接一个电源），也可省略（即默认有电源）。

LM358信号放大电路：

运算放大器的特性：

1. 输入阻抗非常大（同相、反向输入端几乎不流入与流出电流），以避免对前面电路产生影响。

2. 内部有功率输出部分，因此输出端具有驱动能力。

3. 因为集成化之后无法调节放大倍速，

   所以为了能调节，这里将内部放大倍数设置很大（理想情况可以想象为无穷大），

   并利用深度负反馈规则的知识，来进行动态调节放大倍数（模电部分知识，有兴趣可以去了解）

深度负反馈部分说明（简略）：

1. 因为放大倍数非常大，因此很容易到达深度负反馈；
2. 通过在外部接上负反馈，使得能利用外部调节放大倍数（此时放大倍数不由内部电路决定），从而实现动态调节；
3. 利用这个特性，可以不同组合负反馈部分电路来实现不同功能。

四个运算放大器的经典电路

一、电压比较器

作用：比较同相输入端与反相输入端两个信号的电压值，并以高低电平的形式输出结果。

该电路状态处于没有连接负反馈的情况下使用（开环状态）。

作用公式：V_out=A_∞（V₊ - V_-），其中A为放大倍数。

二、反向放大器

作用公式：V_out=A×V_IN，其中A=-R2/R1。

作用原理：

放大器部分：

假设IN端传入0.1V，那么反相输入端就为0.1V，经过放大器到达OUT时就为负电压（此时电压为放大后的状态），

而此时该状态又会通过R2的部分将反相输入端拉低到小于0V（负电压大于0.1V），再次经过放大器就会使得OUT端变为正电压（此时电压为放大后的状态），

同样该状态也会通过R2部分将反向输入端拉高到大于0V（因为正电压大于负电压），使得OUT又变为负电压，

以此反复（负反馈过程），最终达到稳态（即正电压与负电压相等时，影响结束）。

最终的稳态就为虚短状态（负反馈状态下，负极电压与正极电压相等）。

——虚断状态下，反相输入端（其他情况同理）电流既不流入也不流出（因为输入阻抗大）。

外部负反馈部分：

因为放大器部分的反相输入端最终因为稳态变为0V，且此时为虚断，因此电流只能流经R2，

所以R2部分的电流与R1部分电流相等，而R2的+端电压为0V，-端电压可以利用U=IR，计算为V_OUT= 0-（0.1V÷R1）×R2。——这里V_IN假设为0.1V。

因此，V_OUT端电压为（-R2/R1）×V_IN。

反向名称原因：因为输入的为正电压，反为负电压，因此得名。

三、同向放大器

作用原理：

因为放大器部分会变为虚短状态，因此反向输入端就会变为V_IN电压值，

而R1另一端接地，因此利用U=IR，可计算出此时的电流 I 为（V_IN - 0）÷ R1，

因为放大器部分会变为虚断状态，因此电流只流过R2，所以R2处的电流与R1相等，

因此可以计算出R2连接OUT部分的电压V_OUT= I × R2-（-V_IN），其中 I = V_IN / R1。

作用公式：

V_OUT = V_IN / R1 × R2 +V_IN

=（1+R2/R1）×V_IN

= A×V_IN（其中A为放大倍速）

PS：较反向放大器而言，输出电压与输入电压同向（均为正或均为负），且输出为正电压时，无需双电源（反向放大器需要双电源才能输出正电压）。

四、电压跟随器

该电压跟随器相当于同向放大器的特殊情况（保持原倍数）。

利用电压跟随器能提高信号的驱动能力（虽然没有电压放大特性，但具有功率放大特性），可将没有驱动能力的信号变为相同的有驱动能力的信号。

AD/DA原理

DA原理

T型电阻网络DA转换器：