51单片机AD/DA转换实战指南

51单片机AD/DA转换技术详解

工作原理与硬件基础

51单片机通过内置或外接ADC/DAC模块实现模拟信号与数字信号的转换。ADC（模数转换器）将连续模拟信号（如电压）转换为离散数字值，DAC（数模转换器）则执行反向操作。典型应用中，ADC用于传感器数据采集，DAC用于控制模拟执行器。

ADC核心参数包括分辨率（如8/10/12位）、采样率（如100kSPS）和参考电压（如5V）。DAC的关键指标是建立时间和线性度。51单片机常用ADC芯片如PCF8591（8位4通道），DAC芯片如TLC5615（10位）。

ADC接口电路设计

模拟信号输入前需经过信号调理电路。对于电压型传感器，通常需要添加低通滤波器（RC电路）抑制高频噪声。若信号幅度较小，可使用运算放大器进行放大。例如，设计一个截止频率1kHz的RC滤波器：

[ f_c = \frac{1}{2\pi RC} \quad (R=1k\Omega, C=160nF) ]

ADC参考电压应稳定，建议采用TL431基准源。多通道采样时，需注意输入阻抗匹配，避免通道间串扰。典型接口电路包含去耦电容（0.1μF）和ESD保护二极管。

DAC输出电路优化

DAC输出通常需接运放进行电压/电流转换。对于电流输出型DAC，可采用跨阻放大器设计。输出端建议添加π型滤波器减少高频毛刺。若需驱动大功率负载，需增加MOSFET或功率运放作为缓冲。

建立时间计算示例：当DAC输出阶跃变化时，运放的压摆率（Slew Rate）需满足：

[ SR > \frac{\Delta V}{\Delta t} \quad (\Delta V=5V, \Delta t=10\mu s) ]

软件实现要点

ADC采样需配置寄存器并处理中断。典型8位ADC读取流程：

void ADC_Init() {
    ADCON = 0x81; // 使能ADC，选择通道0
    delay(1);     // 等待稳定
}
unsigned char ADC_Read() {
    ADCON |= 0x08; // 启动转换
    while(!(ADCON & 0x10)); // 等待完成
    return ADDAT;
}

DAC输出需注意数据格式转换。12位DAC输出示例：

void DAC_Output(unsigned int value) {
    unsigned char hi = value >> 8;
    unsigned char lo = value & 0xFF;
    SPI_Write(hi);
    SPI_Write(lo);
}

误差分析与校准

系统误差主要来源于量化误差、非线性误差和温漂。可采用三点校准法：

• 在零输入、中间量程和满量程点记录ADC读数
• 计算偏移误差和增益误差
• 软件补偿公式：

[ V_{real} = k \times V_{read} + b \quad (k,b为校准系数) ]

对于DAC，可通过闭环反馈调整输出值。建议定期自校准，特别是在温度变化大的环境中。

典型应用案例

1. 智能光照调节：通过光敏电阻ADC采样，PWM模拟DAC控制LED亮度
2. 温度控制系统：热电偶经ADC采集，PID算法处理后通过DAC驱动加热器
3. 音频信号处理：ADC采样音频信号，FFT变换后由DAC重建输出

实际项目中需注意：

• 模拟地与数字地单点连接
• 敏感信号线使用屏蔽线
• 采样速率与奈奎斯特定理匹配
• 必要时采用过采样技术提高分辨率

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