【自学嵌入式：51单片机】AD模数转换/DA数模转换（含SPI通信）

目录

AD/DA

  • 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提供了可能。
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硬件电路模型

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  • 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一般检测电压的变化，比如图中检测可变电阻的电压，真实的0-5V被映射成8位二进制一个字节0-255）；
  • AD/DA与单片机数据传送可使用并口（速度快、原理简单），也可以使用串口（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AD/DA的通道（一般来说用到DA的地方，也可以用PWM来实现）。

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DA用的很少，一般用低通滤波直接转换为模拟信号。

【注】低通滤波就像个 “信号筛子”：让变化慢的低频信号（比如平稳的声音、图像里的大色块）顺利通过，把变化快的高频信号（比如杂音、图像噪点）挡在外面，帮信号 “去噪” 变干净。

图中的AD是个触摸屏芯片，内部原理比较闭塞，封装起来了，不方便理解。

硬件电路

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图中的AD/DA芯片比较老，下图的PCF8591芯片常用，它用的是I2C总线进行通信
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运算放大器

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数额放大电路单元。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。

运算放大器的分析方法：虚短、虚断（负反馈条件下）
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运算放大器（运放）：可以理解为“超级信号放大器”，放大能力特别强，是一个现成的、功能完善的放大电路模块。
差分放大器：运放内部的第一级电路，像“信号比较器”，主要负责比较两个输入信号的差异。
电压放大器：运放内部的第二级电路，专门“增强信号的电压大小”。
功率放大器：运放内部的第三级电路，负责“增强信号的功率（可以理解为信号的‘力量’）”。
三级放大电路：运放内部由差分放大器、电压放大器、功率放大器按顺序组成的“放大流水线”，一步步把信号放大。
通用放大电路单元：运放是个“多面手”，能适应各种放大需求，是电路里的基础元件。
电压比较器：运放构成的“信号对比器”，用来比较两个电压谁大谁小。
反相放大器：运放构成的放大器，输出信号和输入信号“方向相反”（比如输入正信号，输出负信号）。
同相放大器：运放构成的放大器，输出信号和输入信号“方向相同”（输入正信号，输出也正信号）。
电压跟随器：运放构成的电路，输出信号和输入信号“一模一样”，不放大但能让信号更稳定。
加法器：运放构成的“信号计算器”，能把多个输入信号的大小加起来。
积分器：运放构成的电路，能算出“信号随时间的累积效果”（类似算一段时间的总量）。
微分器：运放构成的电路，能算出“信号变化的快慢”（类似算速度）。

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通过接个电阻构成负反馈电路，通过调整电阻来调整电压倍数

运放电路

电压比较器

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\[V_{\text {OUT }}=\left\{\begin{array}{ll} V C C & \left(V_{I N+}>V_{I N-}\right) \\ G N D & \left(V_{I N+}<V_{I N-}\right) \end{array}\right. \]

反向放大器

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\[V_{O U T}=-\frac{R 2}{R 1} \times V_{I N} \]

输入正，然后通过不断地正负电压变化最后达到一个稳态

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最后就会形成一个状态称之为虚短，就是电路负反馈的状态下，负极的电压和正极的电压相等，虚断同理类似两端断开。

同向放大器

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\[V_{\text {OUT }}=\left(1+\frac{R 2}{R 1}\right) \times V_{I N} \]

电压跟随器

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\[V_{O U T}=V_{I N} \]

电压跟随器能提高电路的驱动能力（提高功率）

DA原理

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下面两根线都接地，方便上面分流分压

PWM型DA转换器

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一个电阻和一个电容构成一个低通滤波器
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后面跟着电压跟随器增大电路驱动能力
它的好处是节省IO口，精度高；但是占用单片机。

AD原理

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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/简历频率，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。

SPI通信

（转自爱上半导体）
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SPI是一主多从模式的通信，主机只能有一个，从机有多个，SPI通信需要4条信号线：SS，SCK，MOSI，MISO
SS：片选信号线，单片机通过给片选信号线高低电平来确定和哪一个从机通讯，一般这根线为低电时，片选才有效（也有例外，比如93C46 EEPROM的数据手册说是高电平有效）；
SCK：时钟信号线，由主设备产生信号，其信号如下：
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MOSI：发送信号线，主设备通过这条线发送数据，从机通过这条线接收数据。
MISO：接收信号线，主设备通过这根线接收数据

写数据：
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时钟信号上升沿，数据信号才会被采样
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这是根据要传输的存储器的对象所决定的，SPI还有按时钟下降沿采集信号，还有时钟空闲为高电平的时候（上拉电阻，开漏输出，我个人理解，欢迎大佬指正）
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SPI通讯对一帧有多少位没有规定，主要看芯片的设定

XPT2046

XPT2046 是一款4线制电阻式触摸屏控制器，内含 12 位分辨率 125KHz 转换速率逐步逼近型 A/D 转换器。XPT2046支持从1.5V到5.25V的低电压 I/0接口。XPT2046 能通过执行两次 A/D转换查出被按的屏幕位置，除此之外，还可以测量加在触摸屏上的压力。内部自带 2.5V 参考电压，可以作为辅助输入、温度测量和电池监测之用，电池监测的电压范围可以从 OV 到 6V。XPT2046 片内集成有一个温度传感器。 在2.7V的典型工作状态下，关闭参考电压，功耗可小于0.75mW。XPT2046采用微小的封装形式:TSSOP-16,QFN-16和 VFBGA-48。工作温度范围为-40℃~+85℃。与ADS7846、TSC2046、AK4182A 完全兼容

时序

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它使用SPI通信，每个设备的CS片选信号都是不同的线，其他都接在总线上，它最基本的时序就是首先片选，上升沿输入，下降沿输出
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连续读两个字节16位，因为是12位模式，只取前12位，后面都用0填充，调用这个时序，就读入单片机

写命令字

手册内容：
起始位————第一位，即S位。控制字的首位必须是1，即S=1。在XPT2046的DIN引脚检测到起始位前，所有的输入将被忽略。
地址————接下来的3位（A2、A1和A0）选择多路选择器的现行通道（通道决定读哪一路的AD），触摸屏驱动和参考源输入。
MODE————模式选择位，用于设置ADC的分辨率。MODE=0，下一次的转换将是12位模式；MODE=1，下一次的转换是8位模式。
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电路中X-接地了，只能单端模式，SER给1
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我们用的是外部参考电压，5V的
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XP就是X+
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由电路可知，X+连着的是可调电阻，Y+连着的是热敏电阻，VBAT连着的是光敏电阻

AD模数转换代码实现

分别读可调电阻ADJ，光敏电阻RG和热敏电阻NTC的值

XPT2046读AD

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CS默认在1，然后变成0

XPT2046.h

#ifndef __XPT2046_H__
#define __XPT2046_H__

#define XPT2046_XP_8  0x9C//测X+，1001 1100，先来8位的精度
#define XPT2046_YP_8  0xDC //测Y+
#define XPT2046_VBAT_8 0xAC//A2A1A0 010
#define XPT2046_AUX_8 0xEC//A2A1A0 111

//12位
#define XPT2046_XP_12  0x94//测X+
#define XPT2046_YP_12  0xD4 //测Y+
#define XPT2046_VBAT_12 0xA4//A2A1A0 010
#define XPT2046_AUX_12 0xE4//A2A1A0 111

unsigned int XPT2046_ReadAD(unsigned char Command); //读数据字 

#endif

XPT2046.c

#include <REGX52.H>
#include <intrins.h> // 延时空语句

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

void XPT2046_Delay1ms()		//@11.0592MHz
{
	unsigned char i, j;

	_nop_();
	i = 2;
	j = 199;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}


//读数据字 
unsigned int XPT2046_ReadAD(unsigned char Command)
{
	unsigned char i;
	unsigned int ADValue = 0;
	XPT2046_DCLK = 0;
	XPT2046_CS = 0;
	//把8位连续的发出去
	for(i=0;i<8;i++)
	{
		XPT2046_DIN = Command & (0x80>>i); //依次送DIN
		XPT2046_DCLK = 1; //变高电平，上升沿，把最高位发出去了
		XPT2046_DCLK = 0; //下降沿什么也不做，满足时序要求，都是纳秒级别
	}
	//这几个执行下来满足了1.5微秒，不用延时也行
	//连续读两个字节
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		//下降沿是读，所以先给高再给低，形成下降沿
		XPT2046_DCLK = 1;
		XPT2046_Delay1ms(); //给下降沿1ms延时
		XPT2046_DCLK = 0;
		if(XPT2046_DOUT)
		{
			ADValue |= (0x8000>>i);
		}
	}
	//结束时序
	XPT2046_CS = 1;
	//判断是8位还是12位
	if(Command & 0x08) //0000 1000 ，低4位第4位1代表读的是8位的电压，0是12位
	{
		return ADValue>>8;
	}
	else
	{
		return ADValue>>4;
	}
}

main.c

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

unsigned int ADValue = 0;

void Delay(unsigned int xms)		//@11.0592MHz
{
	unsigned char i, j;

	while(xms--)
	{
		i = 2;
		j = 199;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
	}
}


void main()
{
	LCD1602_Init();
	LCD1602_ShowString(0,0,"ADJ NTC RG");
	while(1)
	{
		ADValue = XPT2046_ReadAD(XPT2046_XP_8);
		LCD1602_ShowNum(1,0,ADValue,3); 
		ADValue = XPT2046_ReadAD(XPT2046_YP_8);
		LCD1602_ShowNum(1,4,ADValue,3); 
		ADValue = XPT2046_ReadAD(XPT2046_VBAT_8);
		LCD1602_ShowNum(1,8,ADValue,3); 
		
		Delay(4);
	}
}

LCD1602部分

LCD1602部分我用的上一篇博客的版本，不是我gitee仓库的版本，文章地址：https://www.cnblogs.com/qinruiqian/p/19020925

显示效果

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DA模数转换代码实现

其实就是PWM
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IO口是P2_1，电路是二倍放大，所以呼吸灯没有I/O口的LED灯呼吸的快，它就是魔改PWM电机调速的代码，只不过硬件上加了一个低通滤波，DA应用范围没有AD广，因为很多地方用I/O口的呼吸灯就够用了

#include <REGX52.H>

sbit DA = P2^1;  //DAC(PWM)模块IO口

unsigned char Counter, Compare; //Counter计数器，Compare比较值设置越大，低电平（亮的）时间越长
unsigned char i; //循环变量

void Delay(unsigned int xms)		//@11.0592MHz
{
	unsigned char i, j;

	while(xms--)
	{
		i = 2;
		j = 199;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
	}
}

//初始化定时器，100微秒为周期
void initTimer0(void)
{
	TMOD = 0x01; //只开启定时器0
	TL0 = 0xA4;		//设置定时初值
	TH0 = 0xFF;		//设置定时初值
	TF0 = 0;		//清除TF0标志
	TR0 = 1;		//定时器0开始计时
	EA = 1; //允许中断
	ET0 = 1; //允许定时器0中断
}

//每隔100微秒中断一次
void Timer0_Routine() interrupt 1
{
	TL0 = 0xA4;		//设置定时初值
	TH0 = 0xFF;		//设置定时初值
	Counter++;
	Counter %= 100; //到100的时候自动变0
	//计数变量到比较值的时候自动变低电平
	if(Counter < Compare)
	{
		DA = 1;
	}
	else
	{
		DA = 0;
	}
}

void main()
{
	initTimer0();
	while(1)
	{
		for(i=0; i<100; i++)
		{
			Compare = i;
			Delay(10);
		}
		for(i=100; i>0; i--)
		{
			Compare = i;
			Delay(10);
		}
	}
}
posted @ 2025-08-05 23:16  秦瑞迁  阅读(325)  评论(0)    收藏  举报