微控制器是一個典型的數字系統，數字系統只能呢個對輸入的數字訊號進行處理，其輸出訊號也是數字的。但工業或者生活中的很多量都是模擬量，這些模擬量可以通過感測器變成與之對應的電壓、電流等模擬量。為了實現數字系統對這些電模擬量的測量，運算和控制，就需要一個模擬量和數字量之間的相互轉化的過程。

A/D和D/A的基本概念

A/D是模擬量到數字量的轉換，依靠的是模數轉換器(Analog to Digital Converter)，簡稱ADC。D/A是數字量到模擬量的轉換，依靠的是數模轉換器(Digital to Analog Converter)，簡稱DAC。它們的道理是完全一樣的，只是轉換方向不同，因此我們講解過程主要以A/D為例來講解。 
什麼是模擬量？就是指變數在一定範圍內連續變化的量，總之，任何兩個數字之間都有無限箇中間值，所以稱之為連續變化的量，也就是模擬量。ADC就是起到把連續的訊號用離散的數字表達出來的作用

A/D的主要指標

我們在選取和使用A/D的時候，依靠什麼指標很重要。由於AD的種類很多，分為積分型，逐次逼近型，並行/序列比較型，Σ-Δ型等多種型別。同時指標也比較多，並且有的指標還有輕微差別。

1.ADC的位數

一個n位的ADC表示這個ADC共有2的n次方個刻度。8位ADC，輸出的是從0-255的256個數字，也就是2的8次方的一個數據刻度。

2.基準源

基準源也叫基準電壓，是ADC的1個重要標準，要想把輸入ADC的訊號測量準確，那麼基準源首先要準，基準源的偏差會導致轉換結果的偏差比如一根米尺，總長度本應該是1米，假定這根米尺被火烤了一下，實際變成了1.2米，再用這根米尺測物體長度的話自然就有了較大的偏差。假如我們的基準源應該是5.10V，但是實際上提供的卻是4.5V，這樣誤把4.5V當成了5.10V來處理的話，偏差也會比較大。

3.解析度

解析度是數字量變化的一個最小刻度時，模擬訊號的變化量，定義為滿刻度量程與2n-1的比值。假定5.10V的電壓系統，使用8位的ADC進行測量，那麼相當於0-255一共256個刻度把5.10V劃分成255份，那麼解析度就是5.10/255=0.02V.

INL(積分非線性度)和DNL（差分非線性度）

一般容易混淆兩個概念就是解析度和精度，認為解析度越高，則精度越高，而實際上，兩者並沒有必然的聯絡。解析度是用來描述刻度劃分的，而精度是用來描述準確程度。同樣一根米尺，刻度數相同，解析度就相當，但是精度卻可以相差很大,ADC精度關係重大的兩個指標是INL(Integral NonLiner)和DNL(Differencial NonLiner)。 
INL指的是ADC器件在所有的數值上對應的模擬值，和真實值之間的誤差最大的哪一個點的誤差值，是ADC最重要的一個精度標準，單位是LSB。LSB是最低有效位的意思，那麼實際上對應的就是ADC的解析度。一個基準為5.10V的8位ADC，它的解析度就是0.02V，用它去測量一個電壓訊號，得到的實際結果是100，就是表示它測到的電壓值是100*0.02=2V，假定它的INL是1LSB，就是表示這個電壓訊號真實的準確值是在1.98V——2.02之間的，按理想情況對應的數字因該是99-101，測量誤差是一個最低的有效位，即1LBS。 
DNL表示的是ADC相鄰兩個刻度之間最大的差異，單位也是LSB。一把解析度是1毫米的尺子，相鄰的刻度之間並不都剛好是一毫米，而總是會存在或大或小的誤差。同理，一個ADC的兩個刻度線之間也不總是準確的等於解析度，也是存在誤差，這個就是DNL。一個基準為5.10V的8位ADC，假定DNL是0.5LSB，那麼當它的轉換結果從100增加到101時，理想情況下實際電壓應該增加0.02V，但DNL為0.5LSB的情況下實際電壓為0.01——0.03V之間，值得一提的是DNL並非一定小於1LSB，很多時候它會等於或者大於1LSB，這在相當一定程度上刻度紊亂，當實際電壓保持不變時，ADC得出的結果可能會在幾個數值之間跳動，很大程度上由於這個原因（但並不完全是，因為還有很多幹擾）。

5.轉換速率

轉換速率，是指ADC每秒能進行取樣轉換的最大次數，單位是sps（或s/s、sa/s，即samples per second），它與ADC完成一次從模擬到數字的轉換所需要的時間互為倒數關係。ADC的種類比較多，其中積分型的ADC轉換時間是毫秒級的，屬於低速ADC；逐次逼近型ADC轉換時間是微妙級的，屬於中速ADC；並行/序列的ADC的轉換時間可達到納秒級，屬於高速ADC。 
ADC的這幾個主要指標大家先熟悉一下，對於其它的，作為一個入門級別的選手來說，先不著急深入理解。以後使用過程中遇到了，再查詢相關資料深入學習，當前重點是在頭腦中建立一個ADC的基本概念。

PCF8591

PCF8591是一個單電源低功耗的8位CMOS資料採集器件，具有4路模擬輸入，1路模擬輸出和一個序列I2C匯流排介面用來與微控制器通訊。引腳1、2、3、4是4路模擬輸入，引腳5、6、7是I2C匯流排的硬體地址，8腳是數字地GND，9腳和10腳是I2C匯流排的SDA和SCL。12腳是時鐘選擇引腳，如果接高電平表示用外部時鐘輸入，接低電平則用內部時鐘，我們這套電路用的是內部時鐘，因此12腳直接接GND，同時11腳懸空。13腳是模擬地AGND，在實際開發中，如果有比較複雜的類比電路，那麼AGND部分在佈局佈線上要特別處理，而且和GND的連線也有多種方式，這裡大家先了解即可。在我們板子上沒有複雜的模擬部分電路，所以我們把AGND和GND接到一起。14腳是基準源，15腳是DAC的模擬輸出，16腳是供電電源VCC。 
PCF8591的ADC是逐次逼近型的，轉換速率算是中速，但是它的速度瓶頸在I2C通訊上。由於I2C通訊速度較慢，所以最終的PCF8591的轉換速度，直接取決於I2C的通訊速率。由於I2C速度的限制，所以PCF8591得算是個低速的AD和DA的整合，主要應用在一些轉換速度要求不高，希望成本較低的場合，比如電池供電裝置，測量電池的供電電壓，電壓低於某一個值，報警提示更換電池等類似場合。 
軟體程式設計 
PCF8591的通訊介面是I2C，那麼程式設計肯定是要符合這個協議的。微控制器對PCF8591進行初始化，一共傳送三個位元組即可。第一個位元組，和EEPROM類似，是器件地址位元組，其中7位代表地址，1位代表讀寫方向。地址高4位固定是0b1001，低三位是A2，A1，A0，這三位我們電路上都接了GND，因此也就是0b000，傳送到PCF8591的第二個位元組將被儲存在控制暫存器，用於控制PCF8591的功能。其中第3位和第7位是固定的0，另外6位各自有各自的作用。 
控制位元組的第6位是DA使能位，這一位置1表示DA輸出引腳使能，會產生模擬電壓輸出功能。第4位和第5位可以實現把PCF8591的4路模擬輸入配置成單端模式和差分模式，單端模式和差分模式的區別，我們在17.5節有介紹，這裡大家只需要知道這兩位是配置AD輸入方式的控制位即可 
控制位元組的第2位是自動增量控制位，自動增量的意思就是，比如我們一共有4個通道，當我們全部使用的時候，讀完了通道0，下一次再讀，會自動進入通道1進行讀取，不需要我們指定下一個通道，由於A/D每次讀到的資料，都是上一次的轉換結果，所以同學們在使用自動增量功能的時候，要特別注意，當前讀到的是上一個通道的值。為了保持程式的通用性，我們的程式碼沒有使用這個功能，直接做了一個通用的程式。 
控制位元組的第0位和第1位就是通道選擇位了，00、01、10、11代表了從0到3的一共4個通道選擇。 
傳送給PCF8591的第三個位元組D/A資料暫存器，表示D/A模擬輸出的電壓值。D/A模擬我們一會介紹，大家知道這個位元組的作用即可。我們如果僅僅使用A/D功能的話，就可以不傳送第三個位元組。

/* 讀取當前的ADC轉換值，chn-ADC通道號0~3 */

unsigned char GetADCValue(unsigned char chn)
      {
unsigned char val;

I2CStart();
if (!I2CWrite(0x48<<1))  //定址PCF8591，如未應答，則停止操作並返回0
{
    I2CStop();
    return 0;
}
I2CWrite(0x40|chn);         //寫入控制位元組，選擇轉換通道
I2CStart();
I2CWrite((0x48<<1)|0x01);  //定址PCF8591，指定後續為讀操作    
I2CReadACK();                //先空讀一個位元組，提供取樣轉換時間
val = I2CReadNAK();         //讀取剛剛轉換完的值
I2CStop();
return val;
 }

DAC的輸出

此處輸入程式碼/* 設定DAC輸出值，val-設定值 */
 void SetDACOut(unsigned char val)
  {
I2CStart();
if (!I2CWrite(0x48<<1)) //定址PCF8591，如未應答，則停止操作並返回
{
    I2CStop();
    return;
}
I2CWrite(0x40);         //寫入控制位元組
I2CWrite(val);          //寫入DA值  
I2CStop();
}