PCF8591中文数据手册

PCF8591 8位A/D和D/A转换器 By Coolbor Xie 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 1 1、特性 z 单电源供电 z 工作电压：2.5 V ~ 6 V z 待机电流低 z I2C总线串行输入/输出 z 通过 3个硬件地址引脚编址 z 采样速率取决于 I2C总线速度 z 4个模拟输入可编程为单端或差分输入 z 自动增量通道选择 z 模拟电压范围：VSS~VDD z 片上跟踪与保持电路 z 8位逐次逼近式A/D转换 z 带一个模拟输出的乘法DAC 2、应用 z 闭环控制系统 z 用于远程数据采集的低功耗转换器 z 电池供电设备 z 在汽车、音响和TV应用方面的模拟数据采集 3、概述 PCF8591是单片、单电源低功耗 8位CMOS数据采集器件，具有 4个模拟输入、一个输出和一个串 行 I2C总线接口。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多 8个器件连接至 I2C 总线而不需要额外硬件。器件的地址、控制和数据通过两线双向 I2C总线传输。 器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和 8位数模拟转换。最大转换 速率取决于 I2C总线的最高速率。 4、订货信息 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 2 5、内部框图 图1 内部框图 6、引脚 图 2 引脚图 (DIP16). 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 3 7、功能描述 7.1 地址 I2C总线系统中的每一片 PCF8591通过发送有效地址到该器件来激活。该地址包括固定部分和可编 程部分。可编程部分必须根据地址引脚A0、A1和A2来设置。在 I2C总线协议中地址必须是起始条 件后作为第一个字节发送。地址字节的最后一位是用于设置以后数据传输方向的读/写位。（见图 4、 16、17） 图4 地址 7.2 控制字 发送到 PCF8591 的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制器件功能。 控制寄存器的高半字 节用于允许模拟输出，和将模拟输入编程为单端或差分输入。低半字节选择一个由高半字节定义的 模拟输入通道（见图 5）。如果自动增量（auto-increment）标志置 1，每次A/D转换后通道号将自动 增加。 如果自动增量（auto-increment）模式是使用内部振荡器的应用中所需要的，那么控制字中模拟输出 允许标志应置 1。这要求内部振荡器持续运行，因此要防止振荡器启动延时的转换错误结果。模拟输 出允许标志可以在其他时候复位以减少静态功耗。 选择一个不存在的输入通道将导致分配最高可用的通道号。所以，如果自动增量（auto-increment） 被置 1，下一个被选择的通道将总是通道 0。两个半字节的最高有效位（即 bit 7和 bit 3）是留给未来 的功能，必须设置为逻辑 0。控制寄存器的所有位在上电复位后被复位为逻辑 0。D/A转换器和振荡 器在节能时被禁止。模拟输出被切换到高阻态。 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 4 图5 控制字 7.3 D/A 转换 发送给 PCF8591的第三个字节被存储到DAC数据寄存器，并使用片上D/A转换器转换成对应的模 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 5 拟电压。这个D/A转换器由连接至外部参考电压的具有 256个接头的电阻分压电路和选择开关组成。 接头译码器切换一个接头至DAC输出线（见图 6）。 模拟输出电压由自动清零单位增益放大器缓冲。这个缓冲放大器可通过设置控制寄存器的模拟输出 允许标志来开户或关闭。在激活状态，输出电压将保持到新的数据字节被发送。 图6 DAC电阻电路 片上D/A转换器也可用于逐次逼近A / D转换（successive approximation A/D conversion）。为释放用 于 A/D转换周期的 DAC，单位增益放大器还配备了一个跟踪和保持电路。在执行 A/D转换时该电 路保持输出电压。 提供给模拟输出AOUT的输出电压由图 7中的公式给出。D/A转换顺序的波形见图 8。 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 6 图7 DAC数据寄存器和D/A转换特性 图8 D/A转换顺序 7.4 A/D 转换 A/D转换器采用逐次逼近转换技术。在A/D转换周期将临时使用片上D/A转换器和高增益比较器。 一个A/D转换周期总是开始于发送一个有效读模式地址给PCF8591之后。A/D转换周期在应答时钟 脉冲的后沿被触发，并在传输前一次转换结果时执行（见图 9）。 一旦一个转换周期被触发，所选通道的输入电压采样将保存到芯片并被转换为对应的 8位二进制码。 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 7 取自差分输入的采样将被转换为 8位二进制补码。（见图 10和图 11） 转换结果被保存在ADC数据寄存器等待传输。如果自动增量标志被置 1，将选择下一个通道。 在读周期传输的第一个字节包含前一次读周期的转换结果代码。以上电复位之后读取的第一个字节 是 0x80。I2C总线协议的读周期如图 8、图 16和图 17。 最高A/D转换速率取决于实际的 I2C总线速度。 图9 A/D转换顺序 图10 单端输入的A/D转换特性 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 8 图11 差分输入的A/D转换特性 7.5 参考电压 对D/A和A/D转换，稳定的参考电压和电源电压必须提供给电阻分压电路（引脚VREF和AGND）。 AGND引脚必须连接到系统模拟地，并应该有一个参考VSS的直流偏置。 低频可应用于VREF和AGND引脚。这允许D / A转换器作为一象限乘法器使用；见第 15章和图 7。 A / D转换器也可以用作一个或两个象限模拟除法。模拟输入电压除以参考电压。其结果被转换为二 进制码。在这种应用中，用户必须保持在转换周期的参考电压稳定。 7.6 振荡器 片上振荡器产生 A/D 转换周期和刷新自动清零缓冲放大器需要的时钟信号。在使用这个振荡器时 EXT引脚必须连接到VSS。在OSC引脚振荡频率是可用的。 如果EXT引脚被连接到VDD，振荡输出OSC将切换到高阻态以允许用户连接外部时钟信号至OSC。 8、I2C总线特性 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 9 I2C 总线是不同的 IC 或模块之间的双向两线通信。这两条线是串行数据线（SDA）和串行时钟线 （SCL）。这两条线必须通过上拉电路连接至正电源。数据传输只能在总线不忙时启动。 8.1 位传输 一个数据位在每一个时钟脉冲期间传输。SDA线上的数据必须在时钟脉冲的高电压期间保持稳定， 这个期间数据线上的改变将被当作控制信号。 图12 位传输 8.2 开始或停止条件 数据和时钟线在总不忙时保持高电平。在时钟为高电平时，数据线上的一个由高到低的变化被定义 为开始条件。时钟为高电平时，数据线上的一个由低到高的变化被定义为停止条件。 图13 开始和停止条件定义 8.3 系统配置 产生信息的器件称作“发送机”，接收信息的器件称作“接收机”。控制信息的器件称作“主机”，被 控制的器件称作“从机”。 图14 系统配置 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 10 8.4 应答 在开始和停止条件之间从发送机传输到接收机的数据字节数是没有限制的。每个 8 位数据字节之后 紧跟着一个应答位。应答位是由发送机放在总线的一个高电平，而主机也产生一个额外的与应答有 关的时钟脉冲。地址匹配的从接收机必须在接收每个字节后产生一个应答。然而主机在接收到每个 已经被从发送机终止的字节后必须产生一个应答。在应答时钟脉冲期间，应答的器件必须将SDA线 拉低，因此在应答相应的时钟脉冲的高电平期间，SDA线必须保持稳定的低电平。在由从机终止的 最后一个字节，主接收机必须通过产生一个低电平应答向发送机发出一个数据结束信号，这样发送 机必须将数据线拉高以允许主机产生停止条件。 图15 I2C总线应答 8.5 I2C总线协议 在开始条件后一个有效的硬件地址必须发送至PCF8591。读/写位定义了以后单个或多个字节数据传 输的方向。开始条件、停止条件和应答位的格式和定时参考 I2C 总线特性。在写模式，数据传输通 过发送下一个数据传输的停止条件或开始条件来结束。 图16 写模式的总线协议，D/A转换 8位 A/D和 D/A转换器具 PCF8591 11 图17 读模式的总线协议，A/D转换 15 、应用信息 输入未用时必须连接至VSS或VDD。模拟输入也可以连接至AGND或VREF。 为了防止额外的地线和电源噪声，以及减小数字信号对模拟信号路径的串扰，用户在必须要非常仔 细地设计PCB。从电源到PCF8591器件、到噪声数字电路、到地的环路应该避免。建议在电源和参 考电压输入端加上去耦电容（10µF）。