DAC-Modul MCP4725, I2C, 12 Bit, mit EEPROM, HW-315

Das Modul MCP4725 ist ein Digital-Analog-Wandler mit I2C-Schnittstelle, der eine echte Analogspannung am Ausgang OUT erzeugt, basierend auf einem digitalen Wert, der von einer Entwicklungsplatine gesendet wird. Dieses Tutorial zeigt, wie man das Modul mit einer Arduino Uno-Platine verbindet und programmiert, um eine regelbare Spannung zwischen 0 V und der Versorgungsspannung zu erhalten.

So funktioniert es:

Der MCP4725 ist ein DAC mit 12-Bit-Auflösung, was bedeutet, dass er digitale Werte zwischen 0 und 4095 akzeptiert. Die Ausgangsspannung wird ungefähr mit der Formel Vout = Code x VCC / 4096 berechnet, wobei VCC die Versorgungsspannung des Moduls ist. Bei einer Versorgung von 5 V erzeugt Code 0 etwa 0 V, Code 2048 etwa 2,5 V und Code 4095 etwa 5 V. Das Modul speichert den letzten geschriebenen Wert im internen EEPROM-Speicher, sodass es mit der gleichen Ausgabe neu starten kann, ohne dass der Mikrocontroller nach dem Einschalten noch etwas übertragen hat.

Was du brauchst:

• 1 x MCP4725 I2C DAC Breakout Modul
• 1 x Entwicklungsplatine Uno R3 mit Wifi ESP8266, Arduino-kompatibel
• 1 x MiniUSB-Kabel, 30cm
• 1 x 40 Dupont-Drähte 10cm, Buchse-Buchse

Verbindung:

Das Modul wird direkt vom 5-V-Pin der Arduino Uno-Platine gespeist, und die I2C-Leitungen werden an die dedizierten Pins A4 und A5 angeschlossen.

Arduino Uno arbeitet mit 5-V-Logik, derselben Ebene, die das Modul akzeptiert, sodass kein Pegelwandler auf SDA und SCL erforderlich ist. Die Pins A4 und A5 haben interne Pull-ups, die automatisch von der Wire-Bibliothek aktiviert werden, was für ein einzelnes Modul auf dem Bus ausreichend ist.

Platine und Bibliotheken:

Wählen Sie in der Arduino IDE die Arduino Uno-Platine, die standardmäßig im Arduino AVR Boards-Paket verfügbar ist. Es ist keine zusätzliche Adresse in den Datei-Einstellungen für diese Platine erforderlich. Installieren Sie die Adafruit MCP4725-Bibliothek von Adafruit aus dem Library Manager, der auch die Wire-Bibliothek benötigt, die bereits in Arduino IDE enthalten ist.

Der Code:

Der Code initialisiert das Modul auf der I2C-Adresse 0x60, sendet nacheinander mehrere bekannte Werte und generiert dann einen Sinuswellenzyklus am Ausgang.

/*
  Board: Arduino Uno (Arduino AVR Boards package)
  Library: Adafruit MCP4725 by Adafruit (requires Wire, included with Arduino IDE)
  Wiring:
    Arduino 5V  -> MCP4725 VCC
    Arduino GND -> MCP4725 GND
    Arduino A4 (SDA) -> MCP4725 SDA
    Arduino A5 (SCL) -> MCP4725 SCL
*/
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_MCP4725.h>
Adafruit_MCP4725 dac;
const uint8_t MCP4725_I2C_ADDRESS = 0x60; // default address, ADDR pad tied to GND
const float VCC = 5.0; // Arduino 5V rail used as the DAC reference
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
    // wait for the serial port on boards that need it
  }
  Wire.begin(); // join the I2C bus as master on A4 (SDA) and A5 (SCL)
  if (!dac.begin(MCP4725_I2C_ADDRESS)) {
    Serial.println("MCP4725 not found, check wiring and I2C address");
    while (1) {
      // halt here, nothing useful can be done without the DAC
    }
  }
  Serial.println("MCP4725 ready");
}
void loop() {
  // Step through a few known DAC codes and print the expected output voltage
  uint16_t steps[] = {0, 1024, 2048, 3072, 4095};
  for (uint8_t i = 0; i < 5; i++) {
    uint16_t code = steps[i];
    dac.setVoltage(code, false); // write the code to the DAC register only, not to EEPROM
    float voltage = code * VCC / 4095.0;
    Serial.print("DAC code: ");
    Serial.print(code);
    Serial.print(" -> approx output: ");
    Serial.print(voltage, 2);
    Serial.println(" V");
    delay(1000);
  }
  // Generate one slow sine wave cycle to show a continuously changing analog output
  Serial.println("Generating sine wave cycle...");
  for (uint16_t angleDeg = 0; angleDeg < 360; angleDeg += 5) {
    float angleRad = angleDeg * PI / 180.0;
    float normalized = (sin(angleRad) + 1.0) * 0.5; // normalize sine to 0..1
    uint16_t code = (uint16_t)(normalized * 4095);
    dac.setVoltage(code, false);
    delay(20);
  }
}

So funktioniert der Code:

Am Anfang des Programms werden die Bibliotheken Wire und Adafruit_MCP4725 eingebunden, das Objekt dac vom Typ Adafruit_MCP4725 wird erstellt und die Konstante MCP4725_I2C_ADDRESS mit dem Wert 0x60 wird definiert, die Standardadresse des Moduls mit dem ADDR-Pin an Masse gelegt.

In der Setup-Funktion wird die serielle Kommunikation initialisiert, der I2C-Bus wird mit Wire.begin gestartet und dann wird dac.begin mit der Modul-Adresse aufgerufen. Wenn das Modul nicht antwortet, wird die Fehlermeldung auf dem seriellen Monitor angezeigt und das Programm bleibt in einer Warteschleife stecken.

In der Loop-Funktion enthält der Vektor steps fünf repräsentative digitale Codes zwischen 0 und 4095. Für jeden Wert sendet dac.setVoltage den Code an das Modul, und das Programm berechnet und zeigt auf dem seriellen Monitor die erwartete ungefähre Spannung am Ausgang mit der Formel Code x VCC / 4095 an.

Nach Durchlaufen der fünf Werte generiert der Code einen vollständigen Sinuswellenzyklus, indem er für jeden Winkel zwischen 0 und 360 Grad einen normalisierten Wert zwischen 0 und 1 mit der sin-Funktion berechnet und diesen in einen digitalen Code zwischen 0 und 4095 umwandelt, der mit dac.setVoltage an das Modul gesendet wird.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 9600 Baud. Sie sehen die Bestätigungsmeldung der Modul-Initialisierung, dann die fünf digitalen Codes zusammen mit der berechneten ungefähren Spannung für jeden, gefolgt von der Meldung, die die Erzeugung des Sinuswellenzyklus ankündigt. Wenn Sie während jeder einsekündigen Pause die Pins OUT und GND mit einem Multimeter messen, lesen Sie eine Spannung ab, die der auf dem Monitor angezeigten nahe kommt.

MCP4725 ready
DAC code: 0 -> approx output: 0.00 V
DAC code: 1024 -> approx output: 1.25 V
DAC code: 2048 -> approx output: 2.50 V
DAC code: 3072 -> approx output: 3.75 V
DAC code: 4095 -> approx output: 5.00 V
Generating sine wave cycle...
DAC code: 0 -> approx output: 0.00 V
DAC code: 1024 -> approx output: 1.25 V
DAC code: 2048 -> approx output: 2.50 V
DAC code: 3072 -> approx output: 3.75 V
DAC code: 4095 -> approx output: 5.00 V

Häufige Probleme:

Wenn der serielle Monitor eine Meldung anzeigt, dass das Modul nicht gefunden wurde, überprüfen Sie, ob SDA und SCL nicht vertauscht sind und ob die Masse des Moduls mit der Masse der Arduino-Platine verbunden ist.

Wenn die auf OUT gemessene Spannung die ganze Zeit 0 V beträgt, überprüfen Sie, ob das Modul auf VCC richtig gespeist wird und ob Sie im Code einen anderen Wert als 0 an die setVoltage-Funktion geschrieben haben.

Wenn das Modul nicht auf der I2C-Adresse 0x60 antwortet, überprüfen Sie den ADDR-Jumper, da eine versehentliche Verbindung zu VCC die Modul-Adresse auf 0x61 verschiebt.

Wenn die auf OUT gelesenen Werte instabil oder verrauscht wirken, überprüfen Sie, ob die Drähte für Stromversorgung und I2C kurz sind und fest sitzen und das Modul nicht gleichzeitig aus zwei verschiedenen Quellen gespeist wird.

Wenn Sie zwei MCP4725-Module auf dem gleichen Bus verwenden und eines antwortet nicht korrekt, überprüfen Sie, dass Sie die Pull-up-Widerstände auf allen Modulen außer einem deaktiviert haben.

Beschränkungen und Tipps:

Die Ausgangsspannung des Moduls ist zwischen 0 V und der Versorgungsspannung VCC begrenzt, es kann keine negativen Spannungen oder Spannungen größer als die Versorgung erzeugen. Die 12-Bit-Auflösung bietet Schritte von etwa 1,2 mV bei 5 V Versorgung, ausreichend für die meisten Steuerungs- und Signalerzeugungsanwendungen, aber unzureichend für Messungen mit sehr hoher Genauigkeit. Die Aktualisierungsgeschwindigkeit des Ausgangs ist durch die I2C-Bus-Geschwindigkeit und die Stabilisierungszeit von 6 us des Wandlers begrenzt, was das Modul für langsame Signale oder Steuerung geeignet macht, nicht für hochfrequente Audiosignale. Ausgehend von diesem Aufbau können Sie einen Signalgenerator mit verschiedenen Wellenformen, eine einstellbare Referenzspannungsquelle für andere Schaltungen oder eine Analogregelschleife für einen Verstärker oder einen Motor-Treiber bauen.