DFROBOT_Gravity: I2C 12位数模DA转换模块_DFR0552__产品说明

概述

DFRobot Gravity 12-Bit I2C DAC是一款I2C接口集成有EEPROM小巧易用的数模DA转换模块，能将数字量准确地转换成对应的直流电压信号（非PWM），满足各类小型创意项目或自动控制系统的需要。该模块兼容arduino、树莓派等各种3.3V或5V主控板，虽然这类主控板要实现模拟量输出可使用PWM模拟，但这种模拟的纹波很大，而且精度不高。如要得到稳定准确的直流电压信号，必须要用DAC。此外，DAC可用于一些有趣的应用，如用作为信号发生器产生正弦波、三角波甚至是任意波形。

本模块采用12位DAC芯片MCP4725，无需外部提供参考电压（供电电压VCC与参考电压一致），支持3.3~5V宽电压供电，板载I2C地址选择开关（两个I2C地址0x60或0x61可选），最大支持2个DA模块的级联。芯片内置EEPROM，可将需要输出的DAC值写入EEPROM中，断电保存，下次重新上电时模块立刻根据存储在EEPROM的DAC值输出相应的模拟电压信号。

特性

12-bit高精度数模转换
内置EEPROM，断电保存DAC数据
Gravity I2C接口，即插即用，预留XH2.54 4P接口供扩展
宽电压输入，兼容3.3V/5V控制器
模块尺寸小巧，方便安装

应用场景

传感器校准
运动控制系统
函数信号发生器

技术规格

输入电压(VCC)：3.3V~5.0V
输出电压：0~VCC
分辨率：12-bit
工作电流：< 0.2mA
通信接口：Gravity I2C （逻辑电平0-3.3V）
产品尺寸：27mm*22mm
重量：13.8g

接口说明

12位DAC模块引脚说明

标号	名称	功能描述
+	VCC	电源正极（3.3~5.0V）
-	GND	电源负极
C	SCL	I2C时钟线
D	SDA	I2C数据线
ADDR	I2C地址	I2C地址选择开关，拨动选择I2C地址（0x60或0x61）
VOUT	VOUT	DAC模拟电压输出（0~VCC）

引脚说明

Arduino使用教程

准备

硬件
- Arduino UNO控制板(或类似控制板) x 1
- 12-Bit I2C DA数模转换模块 x 1
- Gravity 4P传感器连接线（或若干杜邦线） x 1
- 数字万用表（可选） x 1

软件
- Arduino IDE (1.0.x或1.8.x)，点击下载Arduino IDE
- Arduino MCP4725库，点击下载MCP4725库

连线图

校准与可调模拟电压输出

虽然DAC的电压输出精度受多种因素影响，使实际输出电压与用户所指定电压值产生误差，但MCP4725的DAC参考电压Vref与供电电压VCC相同，供电电压的不准（实际电压并非准确的5.000V或3.300V）往往使输出误差较大。这里提供一种简易的校准方法，消除由于参考电压不准造成的误差。若不进行校准，也可根据所使用的控制器电平将下方代码中的REF_VOLTAGE设为5000（如Arduino等5V控制器）或3300（如树莓派、FireBeetle等3.3V控制器）。

用户需要自备一块高精度（3位或以上）数字万用表来完成该校准，具体步骤如下：

将模块与Arduino按照上面的连线图相连，将模块上的ADDR拨至0x60设定I2C地址。若拨至0x61，需要相应地修改下面代码中函数DAC.init(）的第一个参数。
安装Arduino MCP4725库。如何安装库？
打开Arduino IDE，将下面的代码上传到Arduino UNO
使用万用表测量VOUT输出电压并将电压值写入REF_VOLTAGE。如：测得VOUT=4950mV，将“#define REF_VOLTAGE 5000”改为“#define REF_VOLTAGE 4950”。校准完成。

在变量OUTPUT_VOLTAGE输入不超过REF_VOLTAGE的指定电压值（单位：mV），即可输出误差较小的模拟输出电压。在使用下面的样例代码前，可先把校准数值写入REF_VOLTAGE，以获得更准确的输出电压。

    /*
     * file OutputVoltage.ino
     *
     * @ https://github.com/DFRobot/DFRobot_MCP4725
     *
     * connect MCP4725 I2C interface with your board (please reference board compatibility)
     *
     * Output a constant voltage value and print through the serial port.
     *
     * Copyright   [DFRobot](https://www.dfrobot.com), 2016
     * Copyright   GNU Lesser General Public License
     *
     * version  V1.0
     * date  2018-1-15
     */
    #include "DFRobot_MCP4725.h"
    #include "Wire.h"
    #define  REF_VOLTAGE    5000

    DFRobot_MCP4725 DAC;

    uint16_t OUTPUT_VOLTAGE = 5000;        // Input DAC output voltage (0~REF_VOLTAGE,unit: mV)

    void setup(void) {

      Serial.begin(115200);
      /* MCP4725A0_address is 0x60 or 0x61
       * MCP4725A0_IIC_Address0 -->0x60
       * MCP4725A0_IIC_Address1 -->0x61
       */
      DAC.init(MCP4725A0_IIC_Address0, REF_VOLTAGE);

    }

    void loop(void) {

      Serial.print("DFRobot_MCP4725 output: ");
      Serial.print(OUTPUT_VOLTAGE);
      Serial.println(" mV");

      DAC.outputVoltage(OUTPUT_VOLTAGE);

      delay(500);
    }

将DAC值存入EEPROM

将模块上的ADDR拨至0x60设定I2C地址。若拨至0x61，需要相应地修改下面代码中函数DAC.init(）的第一个参数。
打开Arduino IDE，将下面的代码上传到Arduino UNO，使用数字万用表测量VOUT输出电压。
用户可修改变量OUTPUT_VOLTAGE的值改变模拟电压的输出值。REF_VOLTAGE可采用在校准一节中所使用的值，若未进行校准，可根据所使用的控制器电平将其设为5000（如Arduino等5V控制器）或3300（如树莓派、FireBeetle等3.3V控制器）。

    /*
     * file OutputVoltageEEPROM.ino
     *
     * @ https://github.com/DFRobot/DFRobot_MCP4725
     *
     * connect MCP4725 I2C interface with your board (please reference board compatibility)
     *
     * Output a constant voltage value and write to the internal EEPROM.
     *
     * Copyright   [DFRobot](https://www.dfrobot.com), 2016
     * Copyright   GNU Lesser General Public License
     *
     * version  V1.0
     * date  2018-1-15
     */
    #include "DFRobot_MCP4725.h"
    #include "Wire.h"
    #define  REF_VOLTAGE    5000

    DFRobot_MCP4725 DAC;

    uint16_t OUTPUT_VOLTAGE = 1000;        // Input DAC output voltage (0~REF_VOLTAGE,unit: mV)

    void setup(void) {

      Serial.begin(115200);
      /* MCP4725A0_address is 0x60 or 0x61
       * MCP4725A0_IIC_Address0 -->0x60
       * MCP4725A0_IIC_Address1 -->0x61
       */
      DAC.init(MCP4725A0_IIC_Address0, REF_VOLTAGE);

    }

    void loop(void) {

      Serial.print("DFRobot_MCP4725 write to EEPROM and output: ");
      Serial.print(OUTPUT_VOLTAGE);
      Serial.println(" mV");

      DAC.outputVoltageEEPROM(OUTPUT_VOLTAGE);

      delay(200);
    }

结果

使用万用表可测得模块的VOUT产生1V电压信号。断开模块与Arduino的所有连接，利用模块上的焊盘，将VCC与GND分别与Arduino上的5V和GND相连，使模块重新上电，在VOUT上仍能测出1V电压。函数DAC.outputVoltageEEPROM()在输出一个指定的模拟电压信号的同时将该DAC值存储在EEPROM中，模块在重新上电的时候调用EEPROM中的DAC值，在VOUT恢复上次断电时的模拟输出电压。

正弦波模拟电压输出

将模块上的ADDR拨至0x60设定I2C地址。若拨至0x61，需要相应地修改下面代码中函数DAC.init(）的第一个参数。
打开Arduino IDE，将下面的代码上传到Arduino UNO，使用示波器观察VOUT输出电压波形。
用户可修改函数DAC.outputSin()中的参数改变输出正弦波的幅度，频率和直流偏置。

    /*
     * file OutputVoltage.ino
     *
     * @ https://github.com/DFRobot/DFRobot_MCP4725
     *
     * connect MCP4725 I2C interface with your board (please reference board compatibility)
     *
     * Output a constant voltage value and print through the serial port.
     *
     * Copyright   [DFRobot](https://www.dfrobot.com), 2016
     * Copyright   GNU Lesser General Public License
     *
     * version  V1.0
     * date  2018-1-25
     */
    #include "DFRobot_MCP4725.h"
    #include "Wire.h"
    #define  REF_VOLTAGE    5000

    DFRobot_MCP4725 DAC;

    void setup(void) {
      Serial.begin(115200);
      /* MCP4725A0_address is 0x60 or 0x61
       * MCP4725A0_IIC_Address0 -->0x60
       * MCP4725A0_IIC_Address1 -->0x61
       */
      DAC.init(MCP4725A0_IIC_Address0, REF_VOLTAGE);
    }

    void loop(void) {
      /*Output a magnitude of 2500mv, the frequency of 10HZ, DC offset 2500mv sine wave*/
      DAC.outputSin(2500,10,2500);
    }

结果

可观察到一个幅值为2.5V(峰峰值约为5V)，频率为10Hz，带有2.5V直流偏置的完整正弦波

void outputSin(uint16_t amp, uint16_t freq, uint16_t offset)

函数说明：产生一个Vo=Voffset+Vp*sin(2*pi*f*t)的正弦波信号。当Vo>REF_VOLTAGE时，取值REF_VOLTAGE；当Vo<0时,取值0。
- amp：单位（mV）,设定正弦波幅度Vp。取值范围0-REF_VOLTAGE，取值大于REF_VOLTAGE时取REF_VOLTAGE，取0时为直流信号。
- freq：单位（Hz）,设定正弦波频率f。取值范围0~100，取值大于100时取100，取0时为直流信号。
- offset：单位（mV）,设定正弦波直流偏置Voffset。取值范围0-REF_VOLTAGE，取值大于REF_VOLTAGE时取REF_VOLTAGE。

三角波模拟电压输出

将模块上的ADDR拨至0x60设定I2C地址。若拨至0x61，需要相应地修改下面代码中函数DAC.init(）的第一个参数。
打开Arduino IDE，将下面的代码上传到Arduino UNO，使用示波器观察VOUT输出电压波形。
用户可修改函数DAC.outputTriangle(）中的参数改变输出三角波的幅度，频率，直流偏置和占空比。

/*
 * file OutputVoltage.ino
 *
 * @ https://github.com/DFRobot/DFRobot_MCP4725
 *
 * connect MCP4725 I2C interface with your board (please reference board compatibility)
 *
 * Output a constant voltage value and print through the serial port.
 *
 * Copyright   [DFRobot](https://www.dfrobot.com), 2016
 * Copyright   GNU Lesser General Public License
 *
 * version  V1.0
 * date  2018-1-25
 */
#include "DFRobot_MCP4725.h"
#include "Wire.h"
#define  REF_VOLTAGE    5000

DFRobot_MCP4725 DAC;

void setup(void) {
  Serial.begin(115200);
  /* MCP4725A0_address is 0x60 or 0x61
   * MCP4725A0_IIC_Address0 -->0x60
   * MCP4725A0_IIC_Address1 -->0x61
   */
  DAC.init(MCP4725A0_IIC_Address0, REF_VOLTAGE);
}

void loop(void) {
  /*Output amplitude 5000mv, frequency 10HZ,
   *the rise of the entire cycle accounted for 50% of the DC offset 0mv triangular wave.
   */
  DAC.outputTriangle(5000,10,0,50);
}

结果

可观察到一个幅值为5V(峰峰值约为5V)，频率为10Hz，无直流偏置，占空比为50%的完整三角波

void outputTriangle(uint16_t amp, uint16_t freq, uint16_t offset, uint8_t dutyCycle)

函数说明：产生一个三角（锯齿）波信号Vo。当Vo>REF_VOLTAGE时，取值REF_VOLTAGE；当Vo<0时,取值0。
- amp：单位（mV）,设定三角（锯齿）波幅度。取值范围0-REF_VOLTAGE，取值大于REF_VOLTAGE时取REF_VOLTAGE。
- freq：单位（Hz）,设定三角（锯齿）波频率。取值范围0~100。取值大于100时取100，取0时输出恒定0V。
- offset：单位（mV）,设定三角（锯齿）波直流偏置。取值范围0-REF_VOLTAGE，取值大于REF_VOLTAGE时取REF_VOLTAGE。
- dutyCycle：单位（%），设定三角（锯齿）波占空比。取值范围0~100，取值大于100时取100，取0或100时成为锯齿波。

在上述基础上其它参数不变，仅将占空比改为0，即“DAC.outputTriangle(5000,10,0,0)”可产生一个幅度为5V频率为10Hz的锯齿波

树莓派教程

本教程将演示如何在树莓派主控板上使用这款DA模块输出准确直流电压信号，EEPROM的使用和产生正弦波与三角波。

准备

硬件
- 树莓派3代B型（或类似）主控板 x 1
- 12-Bit I2C DA数模转换模块 x 1
- Gravity 4P传感器连接线（或若干杜邦线） x 1
- 数字万用表（可选） x 1

软件
- Gravity 12-Bit I2C DAC树莓派驱动
- RASPBIAN树莓派官方操作系统

接线图

安装驱动

1.启动树莓派的I2C接口。如已开启，可跳过该步骤。
打开终端（Terminal），键入如下指令，并回车：

pi@raspberrypi:~ $ sudo raspi-config

然后用上下键选择“ 5 Interfacing Options ”, 按回车进入，选择 “ P5 I2C ”, 按回车确认“ YES ”即可。重启树莓派主控板。

2.安装Python依赖库与git，树莓派需要联网。如已安装，可跳过该步骤。
在终端中，依次键入如下指令，并回车：

pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get update
pi@raspberrypi:~ $ sudo apt-get install build-essential python-dev python-smbus git

3.下载驱动库，并运行。在终端中，依次键入如下指令，并回车：

pi@raspberrypi:~ $ git clonehttps://github.com/DFRobot/DFRobot_MCP4725.git
pi@raspberrypi:~ $ cd ~/DFRobot_MCP4725/RaspberryPi/python
pi@raspberrypi:~/DFRobot_MCP4725/RaspbeeryPi/python $ sudo python DFRobot_MCP4725.py

校准与可调模拟电压输出

用户需要自备一块高精度（3位或以上）数字万用表来完成校准，具体步骤如下：

将模块与树莓派按照上面的连线图相连，将模块上的ADDR拨至0x60设定I2C地址。若拨至0x61，需要相应地将代码中mcp4725.setAddr_MCP4725()的参数改为MCP4725A0_IIC_Address1。

打开python样例程序OutputVoltage.py，将REF_VOLTAGE和OUTPUT_VOLTAGE的值均改为5000（若模块使用3.3V，则均改为3300）并保存。

在终端中，依次键入如下指令并回车，运行样例代码：

pi@raspberrypi:~/DFRobot_MCP4725/RaspbeeryPi/python $ cd OutputVoltage
pi@raspberrypi:~/DFRobot_MCP4725/RaspbeeryPi/python/OutputVoltage $ sudo python OutputVoltage.py

使用万用表测量VOUT输出电压并将电压值写入REF_VOLTAGE。如：测得VOUT=4950mV，将“REF_VOLTAGE 5000”改为“REF_VOLTAGE 4950”。校准完成。

在变量OUTPUT_VOLTAGE输入不超过REF_VOLTAGE的指定电压值（单位：mV），即可输出误差较小的模拟输出电压。在使用后面的样例代码前，可先把校准数值写入REF_VOLTAGE，以获得更准确的输出电压。
可以通过下面两种方法打开并修改Python程序：

1.在图形化环境中使用IDLE集成开发环境修改Python程序。点击树莓派主界面上方菜单栏的“File Manager”，然后在地址栏输入“/home/pi/DFRobot_MCP4725/RaspberryPi/Python/OutputVoltage”，右击目录中的Python源码“OutputVoltage.py”，在弹出菜单中选择“Python 3 (IDLE)”，在弹出的窗口中即可编辑Python程序。完成编辑后使用快捷键“Ctrl+S”保存关闭窗口即可。

2.在Terminal环境中使用nano编辑器修改Python程序。在Terminal中输入如下指令：

pi@raspberrypi:~/DFRobot_MCP4725/RaspbeeryPi/python/OutputVoltage $ nano OutputVoltage.py

输入指令后，即使用树莓派自带的nano编辑器打开了一个Python程序。完成代码修改后使用快捷键“Ctrl+O”保存，按回车确认，然后使用快捷键“Ctrl+X”关闭nano编辑器即可。

将DAC值存入EEPROM

将模块与树莓派按照上面的连线图相连，将模块上的ADDR拨至0x60设定I2C地址。若拨至0x61，需要相应地将修改代码中mcp4725.setAddr_MCP4725()的参数改为MCP4725A0_IIC_Address1。

用户可修改Python例程OutputVoltageEEPROM.py中变量OUTPUT_VOLTAGE的值，以改变模拟电压的输出值。REF_VOLTAGE可采用在校准一节中所使用的值，若未进行校准，根据VCC供电的额定值输入5000（5V）或3300（3.3V）。

在终端中，依次键入如下指令并回车，运行样例代码：

pi@raspberrypi:~ $ cd ~/DFRobot_MCP4725/RaspberryPi/Python/OutputVoltageEEPROM
pi@raspberrypi:~/DFRobot_MCP4725/RaspbeeryPi/python/OutputVoltageEEPROM $ sudo python OutputVoltageEEPROM.py

结果

使用万用表可测得模块的VOUT产生1V电压信号。拔出模块与树莓派的所有连接，然后再重新连接相应的供电5V和GND，使模块重新上电（但不通过I2C通信），在VOUT上仍能测出1V电压。函数mcp4725.outputVoltageEEPROM()在输出一个指定的模拟电压信号的同时将该DAC值存储在EEPROM中，模块在重新上电的时候调用EEPROM中的DAC值，在VOUT恢复上次断电时的模拟输出电压。

正弦波模拟电压输出

将模块与树莓派按照上面的连线图相连，将模块上的ADDR拨至0x60设定I2C地址。若拨至0x61，需要相应地将修改代码中mcp4725.setAddr_MCP4725()的参数改为MCP4725A0_IIC_Address1。

REF_VOLTAGE可采用在校准一节中所使用的值，若未进行校准，根据VCC供电的额定值输入5000（5V）或3300（3.3V）。

在终端中，依次键入如下指令并回车，运行样例代码：

pi@raspberrypi:~ $ cd ~/DFRobot_MCP4725/RaspberryPi/Python/OutputSin
pi@raspberrypi:~/DFRobot_MCP4725/RaspbeeryPi/python/OutputSin $ sudo python OutputSin.py

使用示波器观察VOUT输出电压波形。

用户可修改函数mcp4725.outputSin()中的参数改变输出正弦波的幅度，频率和直流偏置。

结果

可观察到一个幅值为2.5V(峰峰值约为5V)，频率为10Hz，带有2.5V直流偏置的完整正弦波

 outputSin(amp,freq,offset)

函数说明：产生一个Vo=Voffset+Vp*sin(2*pi*f*t)的正弦波信号。当Vo>REF_VOLTAGE时，取值REF_VOLTAGE；当Vo<0时,取值0。
- amp：单位（mV）,设定正弦波幅度Vp。取值范围0-REF_VOLTAGE，取值大于REF_VOLTAGE时取REF_VOLTAGE，取0时为直流信号。
- freq：单位（Hz）,设定正弦波频率f。取值范围0~40，取值大于40时取40，取0时为直流信号。
- offset：单位（mV）,设定正弦波直流偏置Voffset。取值范围0-REF_VOLTAGE，取值大于REF_VOLTAGE时取REF_VOLTAGE。

三角波模拟电压输出

将模块与树莓派按照上面的连线图相连，将模块上的ADDR拨至0x60设定I2C地址。若拨至0x61，需要相应地将修改代码中mcp4725.setAddr_MCP4725()的参数改为MCP4725A0_IIC_Address1。

REF_VOLTAGE可采用在校准一节中所使用的值，若未进行校准，根据VCC供电的额定值输入5000（5V）或3300（3.3V）。

在终端中，依次键入如下指令并回车，运行样例代码：

pi@raspberrypi:~ $ cd ~/DFRobot_MCP4725/RaspberryPi/Python/OutputTriangle
pi@raspberrypi:~/DFRobot_MCP4725/RaspbeeryPi/python/OutputTriangle $ sudo python OutputTriangle.py

使用示波器观察VOUT输出电压波形。

用户可修改函数mcp4725.outputTriangle()中的参数改变输出正弦波的幅度，频率，直流偏置和占空比。

结果

可观察到一个幅值为5V(峰峰值约为5V)，频率为10Hz，无直流偏置，占空比为50%的完整三角波

 outputTriangle(amp,freq,offset,dutyCycle)

函数说明：产生一个三角（锯齿）波信号Vo。当Vo>REF_VOLTAGE时，取值REF_VOLTAGE；当Vo<0时,取值0。
- amp：单位（mV）,设定三角（锯齿）波幅度。取值范围0-REF_VOLTAGE，取值大于REF_VOLTAGE时取REF_VOLTAGE。
- freq：单位（Hz）,设定三角（锯齿）波频率。取值范围0~40。取值大于40时取40，取0时输出恒定0V。
- offset：单位（mV）,设定三角（锯齿）波直流偏置。取值范围0-REF_VOLTAGE，取值大于REF_VOLTAGE时取REF_VOLTAGE。
- dutyCycle：单位（%），设定三角（锯齿）波占空比。取值范围0~100，取值大于100时取100，取0或100时成为锯齿波。

在上述基础上其它参数不变，仅将占空比改为0，即“DAC.outputTriangle(5000,10,0,0)”可产生一个幅度为5V频率为10Hz的锯齿波

常见问题



Q1.为什么所提供的MCP4725库正弦波与三角波最高仅能输出100Hz（Arduino），40Hz(树莓派)，频率可以更高吗？

A. MCP4725采用I2C与主控通信，使用Arduino等传统主控板时，最高只能使用快速模式Fast（400kbps）。实际测试中（Arduino），给DA模块赋值到电压出来一次的时间差不多要180us，加上正弦或者三角波运算后所消耗的时间，仅能勉强达到一百多Hz。MCP4725的I2C虽然支持高速High-speed(3.4Mbps),但大部分主控板不支持高速模式I2C，因此受限于通信接口，输出频率难以进一步提升。

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