51单片机-AD/DA

侥幸哥f

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分类专栏： 51 文章标签：单片机 51单片机 AD

于 2024-05-09 23:42:04 首次发布

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51单片机-AD/DA

一、运算放大器
二、AD/DA介绍
三、AD应用-XPT2046

一、运算放大器

运算放大器(简称：运放）是具有很高效的放大倍数的放大电路单元
运算放大器可构成的电路有：电压比较器、反向放大器、同向放大器、电压跟随器、加法器、积分器、微分器等

下面是四种运放电路和输出电压公式

电压比较器
反向放大器
同向放大器
电压跟随器

二、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以操作的数字信号，例如将模拟电压转换为数字量，可以应用在光敏、热敏、麦克风等等一些外设上
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

2.1 AD/DA硬件电路模型

AD硬件电路模型如下所示

Alt

DA硬件电路模型如下所示

Alt

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行口或者串行口
可以将AD/DA模块直接集成在单片机内，这样直接写入/读出寄存器就可以进行AD/DA转换，单片机的IO口可以直接复用为AD/DA的通道

2.2 AD/DA工作原理图

2.2.1 AD工作原理图

下面两张图为一个AD转换模块内部原理图
IN0-IN7是8路输入通道，通过地址锁存确定哪路开关打开，经过逐次逼近最终得到数字量

Alt
具体的逐次逼近图如下所示
逐次逼近型：DAC的模拟电压是已知编码电压，VIN的量是未知编码电压(待测)的，两者同时输入到电压比较器(输出高低电平判断谁大谁小)，不断比较DAC的输出电压和VIN，如果DAC大，就调小DAC数据，反之就增大DAC数据，通过不断调整DAC的模拟电压，直到DAC的输出电压无限接近外部通道输入的电压VIN，DAC的输入数据(SAR完成-二分法)就是外部电压的编码数据，即VIN的8位数字量，存到缓冲器，最终输出8位数字量
数字量公式如下

在这里插入图片描述其中VIN是输入电压，VREF是参考电压，51系列单片机是5V，D7-D0是输出的八位数字量

Alt

2.2.2 DA工作原理图

下图为PWM型DA转换器，输出电压V0为(PWM占空比)×Vh

Alt
下图为DA模块内部原理图，输入数据经过DA模块，输出模拟电压值

Alt

下面为8位D/A转换器具体原理图

在这里插入图片描述 Alt

VREF就是我们输入的参考电压，Rfb是反馈电阻，D7-D0是当我们将开关拨到0或者1时的二进制数

2.3 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。例如在5v系统中，8位的AD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，所以位数越高，则分辨率越高
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，应该注意转换速度

三、AD应用-XPT2046

DA可以用PWM波去模拟，所以这里不用去特地了解，AD在日常开发过程中用的比较多，这里以XPT2406去应用一下AD

3.1 XPT2046介绍

XPT2046是一款触摸屏控制器，这点我们无需理会，只需要知道它内置了12分辨率AD转换器

下图为XPT2046模块电路原理图，其含逐次逼近型AD转换模块
CS使能，DCLK串行时钟线，DIN是地址输入，DOUT是输出AD转换完成的数字量
AIN0、1、2连接在了传感器的模拟输出口
传感器的模拟量通过AINx进入AD模块，转换成数字量以后通过DOUT引脚输出给单片机
在这里插入图片描述

3.2 XPT2046时序介绍

CS非作为使能线，可以接多个设备进行片选，每一个芯片单独有一个CS非，同一时间如果想和哪个设备通信，则就给CS非0
DCLK是串行时钟线，一次转换需要24个时钟来完成，上升沿输入，下降沿输出；DIN是输入，在前8个时钟里，主要是对通信地址一些配置；DOUT主要是发送AD转换后的数字量，可以看出在后4位都是以0进行填充的

在这里插入图片描述

3.3 XPT2046代码编写

本次代码的编写，主要是对通信时序的编写，此通信协议主要分为两块，MCU先给XPT2046发送数据，随之XPT2046再给MCU发送转换好的数字量
下面给出XPT2046.c

#include <REGX52.H>

sbit XPT2046_CS = P3^5;
sbit XPT2046_DCLK = P3^6;
sbit XPT2046_DIN = P3^4;
sbit XPT2046_DOUT = P3^7;

/*
函数功能：XPT去读取指定传感器的模拟值，内置的AD模块会得到数字量发送给MCU
形式参数：命令字(读那个通道)
返回值：传感器数字量
*/
unsigned int XPT2046_ReadAD(unsigned char Command)			//命令字（手册）:起始位+地址(AD通道)+模式选择...
{
	unsigned char i;
	unsigned int ADValue = 0;		//XPT2046发给MCU的数字量
	XPT2046_DCLK = 0;		//初始化
	XPT2046_CS = 0;		//使能
	for(i = 0;i<8;i++)		//MCU将前8位发送给XPT2046，以配置地址
	{
		XPT2046_DIN = Command&(0x80>>i);		//高位在前
		XPT2046_DCLK = 1;
		XPT2046_DCLK = 0;		//上升沿输入，MCU给芯片发
	}
	for(i = 0;i<16;i++)		//后16位是XPT2046发送给MCU
	{
		XPT2046_DCLK = 1;
		XPT2046_DCLK = 0;		
		if(XPT2046_DOUT){ADValue|=(0x8000>>i);}		//下降沿输出，芯片给MCU发16位数据，DOUT上就是存的数字量
	}
	XPT2046_CS = 1;
	if(Command&0x08)		//8位分辨率
	{
		return ADValue>>8;		//ADValue一共16位，低8位全是0，
	}
	else		//12位分辨率
	{
		return ADValue>>4;		//ADValue一共16位，低4位全是0
	}
}

宏定义地址和分辨率

#define XPT2046_XP_8			0x9C
#define XPT2046_YP_8			0xDC
#define XPT2046_VBAT_8			0xAC
#define XPT2046_AUX_8			0xEC

#define XPT2046_XP_12			0x94
#define XPT2046_YP_12			0xD4
#define XPT2046_VBAT_12			0xA4
#define XPT2046_AUX_12			0xE4

上述代码中8和12分别代表分辨率，可以进行不同分辨率的显示

在LCD1602显示出转换后的数字量，给出main.c

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

unsigned int ADValue;

void main()
{
	LCD_Init();
	LCD_ShowString(1,1,"ADJ  NTC  RG");			//可变电阻  热敏电阻 光敏电阻
	while(1)
	{
		ADValue = XPT2046_ReadAD(XPT2046_XP_8);		//单片机发送地址给XPT读某一个传感器的模拟值，经过AD处理后返回数字量，发送给单片机
		LCD_ShowNum(2,1,ADValue,3);
		ADValue = XPT2046_ReadAD(XPT2046_YP_8);
		LCD_ShowNum(2,6,ADValue,3);
		ADValue = XPT2046_ReadAD(XPT2046_VBAT_8);
		LCD_ShowNum(2,11,ADValue,3);
		Delayms(10);
	}
}