一、PCF8591简介

PCF8591 是一款集成了模数转换（ADC）和数模转换（DAC）功能的 I²C 总线接口芯片，由 NXP 公司（原飞利浦半导体）设计。它广泛应用于需要模拟信号与数字信号相互转换的嵌入式系统中，例如传感器数据采集或模拟设备控制。

基本特性

1）模数转换（ADC）

4 路模拟输入：支持单端输入或差分输入模式，分辨率 8 位（0-255）。
采样速率：典型转换时间约 100μs，适合低速传感器（如温度、光强）的数据采集。
Ps:
单端输入（Single-Ended）
原理：每路输入（AIN0-AIN3）的电压以 芯片的地（GND） 为参考点。
差分输入（Differential）
原理：通过 两组输入引脚（如 AIN0 & AIN1） 测量两者之间的 电压差，而非以地为参考。
分辨率表示 ADC 能将模拟信号划分成多少个离散的等级，8位=2^8=256个等级，参考电压（Verf）设置为5V，最小电压步进=5v/256=19.53mv，例-如果输入2.5v电压，ADC输出值为2.5v/19.53mv≈128，则可以看出，最小电压步进越小，ADC转换越精准

2）数模转换（DAC）

1 路模拟输出：支持 8 位分辨率，输出电压范围由参考电压（VREF）决定。

I²C 总线接口

地址可配置：通过 A0/A1/A2 引脚设置从机地址，最多支持 8 个设备共用总线。
PS:这里PCF8591作为唯一从机，主机是微控制器为STC15F2K60S2

3） 其他

通信速率：标准模式（100 kHz）或快速模式（400 kHz）。

供电电压
工作电压范围：2.5V 至 6V，兼容 3.3V 和 5V 系统。

典型应用场景：
传感器读取：连接光敏电阻、热敏电阻等模拟传感器，将信号数字化。
模拟控制：通过 DAC 输出控制 LED 亮度、电机速度等。
多设备扩展：I²C 总线支持多设备级联，适合资源有限的微控制器（如 Arduino、ESP8266）。

基本引脚说明：
AIN0-AIN3：模拟输入通道。
AOUT：模拟输出通道。
SDA/SCL：I²C 数据线与时钟线。
VREF：参考电压输入（决定 ADC/DAC 的量程）。

二、PCF8591基本架构

(1) 核心模块组成

1）模拟输入多路复用器（MUX）
功能：4 路模拟输入通道（AIN0-AIN3）通过 MUX 选择其中 1 路接入 ADC。
控制方式：由主机发送的 控制字（Control Byte） 中的通道选择位（低 2 位）决定。

2）8 位逐次逼近型 ADC
工作原理：
采样保持电路捕获输入电压。

通过逐次逼近寄存器（SAR）逐步比较输入电压与内部 DAC 生成的电压，最终输出 8 位数字值。

具体步骤如下：
初始阶段： 逐次逼近 ADC 将输入的模拟电压与一个参考电压（通常是 Vref）进行比较，初始时会将数字输出设置为 128（即中间值，2^7），这对应于最大范围的一半。
逐次逼近过程： 在每个比较步骤中，ADC 会将输入电压与一个由当前数字值表示的电压进行比较，并根据结果逐步逼近最终的数字值。这个过程是通过逐位比较进行的，直到找出最接近输入电压的数字值。
数字输出： 经过 8 次比较后，逐次逼近型 ADC 会得到一个 8 位的数字输出（0 到 255之间的值），表示输入电压在参考电压范围内的比例。
转换时间：约 100μs，受 I²C 通信速率限制。
如图：假如输入电压为5V

3）8 位电阻网络 DAC
功能：将主机发送的 8 位数字值转换为模拟电压输出（AOUT 引脚）。
输出范围：0V 至参考电压 （Verf引脚）​ 。

4）I²C 总线接口
从机地址：固定地址 + 3 位可配置地址（A0/A1/A2 引脚）+读写位，支持多设备级联。

通信协议：完全遵循 I²C 标准，支持标准模式（100kHz）和快速模式（400kHz）。

5）控制逻辑与寄存器
控制字（Control Byte）：主机发送的指令，用于配置：
bit0~1:通道选择（AIN0-AIN3）
bit2:自动增量模式（自动切换通道）
bit4~5:ADC 输入模式（单端/差分）
bit6:DAC 使能状态

(2）工作流程示例（ADC 读取）

1、主机发起通信
2、发送起始条件 + PCF8591 地址（0x90）（写模式）。
3、PCF8591 应答（ACK）。
4、发送控制字
5、PCF8591 应答（ACK）。
6、重启通信并读取数据（0x91）
7、PCF8591 应答（ACK）。
8、PCF8591 返回上一次 ADC 转换结果（8 位数据）。
9、完成转换
10、主机发送停止条件（NACK），结束通信。

(3）工作流程示例 （DAC 输出）

1、主机发起通信
2、发送起始条件 + PCF8591 地址（写模式）。
3、PCF8591 应答（ACK）
5、控制字启用 DAC（0x41是光敏电阻可以通过改变输出电压范围）
6、PCF8591 应答（ACK）
6、写入 8 位数字值（0-255），芯片立即更新 AOUT 引脚电压。
Ps：输出电压计算：模拟电压 = 数字值*最小电压步进（5/255=1/53）
7、PCF8591 应答（ACK）
8、结束通信