内容介绍

任务介绍

设计一款多通道精密DAC电压输出模块，能输出可控的稳定电压，作为校准源、传感器激励或激励信号源使用。

基本要求：

使用至少12位DAC芯片（推荐MCP4728或同类）
至少2路独立电压输出
数字接口控制（I2C或SPI）
板载基准电压源（或使用DAC内置基准）
提供输出接线端子和MCU控制接口

设计方案介绍

引出MCP4728芯片的全部关键引脚，通过双1×6P排针将数字控制侧（I²C 总线、LDAC 同步更新、RDY 状态指示）与模拟输出侧（四路VOUT）分区布置，便于用户在不同应用场景下灵活接线。板载 I²C 上拉电阻与电源指示 LED，上电即可工作。

模块整体介绍

芯片介绍

本 DAC 模块选用的核心芯片为 MCP4728T-E/UN（MSOP-10 封装，3 mm×3 mm）。

MCP4728 是 Microchip 公司推出的 12 位四通道电压输出型 DAC，集成四路轨到轨输出缓冲器，支持通过标准 I²C 串口同时或独立配置各通道的输出电压与增益。芯片内置非易失性 EEPROM，可保存四通道的 DAC 值、增益及工作模式，上电后自动恢复，无需每次上电重复配置。输出电压可选择内部参考（2.048 V 或 4.096 V）或外部 VDD 参考，配合 1×/2× 增益设置，灵活覆盖 0 V~VDD 的宽范围输出。

可广泛应用于可编程基准源、多路 PID 控制回路、传感器偏置电压、信号发生器、音频电平控制及自动化测试设备等场景。

DigiKey官网链接

https://www.digikey.cn/zh/products/detail/microchip-technology/MCP4728T-E-UN/2126093

模块介绍

模块采用左右对称的 2.54 mm 间距 1×6P 单排直插排针，左侧引出 I²C 总线（SDA、SCL）、LDAC 同步加载控制、RDY/BSY 状态指示以及电源（VDD、GND）；右侧引出四路独立模拟电压输出（VOUTA~VOUTD）及电源。模块板载 1 kΩ I²C 上拉电阻、100 nF 陶瓷去耦电容与电源指示 LED，用户只需连接 VDD/GND 与 I²C 总线即可通过两线数字接口完成四路模拟电压的独立配置。

原理图与PCB设计

DAC 核心采用 MCP4728T-E/UN（Microchip），是一款 12 位四通道电压输出型 DAC，宽电压工作范围为 2.7 V~5.5 V。

通过双 1×6P 2.54 mm 排针分区引出全部关键信号：

左侧数字接口：VDD、SCL、SDA、LDAC、RDY、GND。
右侧模拟输出：VDD、VOUTD、VOUTC、VOUTB、VOUTA、GND。

电源部分设计有 100 nF 陶瓷去耦电容抑制高频噪声，I²C 总线通过 1 kΩ 电阻上拉至 VDD；板载 LED 通过 1 kΩ 限流电阻指示模块上电状态。

原理图

PCB

3D效果图

实物图

软件介绍

调试本模块使用了树莓派 Pico 2 开发板，接线如下

MCP4728 模块	Pico 2 开发板
VDD	3V3(OUT)
SCL	GP1
SDA	GP0
LDAC	GP2
RDY	GP3
GND	GND

初始化

    def __init__(self, i2c, addr=DEFAULT_ADDR, ldac_pin=2, rdy_pin=3):
        """
        初始化MCP4728
        
        参数:
            i2c: I2C对象 (如 I2C(0, sda=Pin(0), scl=Pin(1), freq=400000))
            addr: I2C设备地址 (默认0x60)
            ldac_pin: LDAC引脚编号 (默认GP2)
            rdy_pin: RDY/BSY引脚编号 (默认GP3, 不用可设为None)
        """
        self.i2c = i2c
        self.addr = addr
        self.ldac = Pin(ldac_pin, Pin.OUT, value=1)  # LDAC高电平，不更新
        
        if rdy_pin is not None:
            self.rdy = Pin(rdy_pin, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
        else:
            self.rdy = None
            
        # 存储各通道配置 (用于快速写等操作)
        self._channel_configs = {
            self.CH_A: {'vref': self.VREF_INTERNAL, 'gain': self.GAIN_X1, 'pd': self.PD_NORMAL},
            self.CH_B: {'vref': self.VREF_INTERNAL, 'gain': self.GAIN_X1, 'pd': self.PD_NORMAL},
            self.CH_C: {'vref': self.VREF_INTERNAL, 'gain': self.GAIN_X1, 'pd': self.PD_NORMAL},
            self.CH_D: {'vref': self.VREF_INTERNAL, 'gain': self.GAIN_X1, 'pd': self.PD_NORMAL},
        }
        
        # 验证设备连接
        self._check_device()
    
    def _check_device(self):
        """检查设备是否在线"""
        devices = self.i2c.scan()
        if self.addr not in devices:
            raise OSError(f"MCP4728未找到! I2C地址0x{self.addr:02X}不在扫描列表中: {[hex(d) for d in devices]}")
        print(f"MCP4728 已连接, 地址: 0x{self.addr:02X}")

接收外部已创建的 I2C 对象，绑定目标地址。
LDAC 配置为输出，默认高电平（高电平时不更新 DAC 输出，拉低才同步更新）。
RDY/BSY 配置为输入上拉，用于可选的忙检测。
初始化 4 个通道的默认配置缓存（内部参考、增益 ×1、正常模式）。
调用 _check_device() 扫描 I2C 总线，确认 0x60 在线，否则抛出 OSError。

设置输出电压

    def set_voltage(self, channel, voltage, vref=None, gain=None, update=True):
        """
        设置指定通道的输出电压
        
        参数:
            channel: 通道 (CH_A, CH_B, CH_C, CH_D)
            voltage: 目标电压 (V)
            vref: 参考源选择 (None=使用当前配置, VREF_INTERNAL/VREF_VDD)
            gain: 增益选择 (None=使用当前配置, GAIN_X1/GAIN_X2)
            update: 是否立即更新输出 (默认True)
        
        返回:
            实际设置的DAC code值 (0-4095)
        """
        # 确定参考源和增益
        if vref is None:
            vref = self._channel_configs[channel]['vref']
        if gain is None:
            gain = self._channel_configs[channel]['gain']
        
        # VDD参考时强制增益为x1
        if vref == self.VREF_VDD:
            gain = self.GAIN_X1
        
        # 计算满量程电压
        if vref == self.VREF_INTERNAL:
            vref_val = 2.048
            v_fullscale = vref_val * (2 if gain == self.GAIN_X2 else 1)
        else:
            v_fullscale = 3.3  # VDD = 3.3V
        
        # 限制电压范围
        voltage = max(0, min(voltage, v_fullscale))
        
        # 计算DAC code: Vout = Vref * Dn/4096 * Gx
        # Dn = Vout * 4096 / (Vref * Gx)
        if vref == self.VREF_INTERNAL:
            code = int(voltage * 4096 / (2.048 * (2 if gain == self.GAIN_X2 else 1)))
        else:
            code = int(voltage * 4096 / 3.3)
        
        code = max(0, min(code, 4095))
        
        # 发送设置命令
        self.set_dac_code(channel, code, vref=vref, gain=gain, pd=self.PD_NORMAL, update=update)
        
        return code
    
    def set_dac_code(self, channel, code, vref=VREF_INTERNAL, gain=GAIN_X1, 
                     pd=PD_NORMAL, update=True):
        """
        直接设置DAC数字码 (12-bit, 0-4095)
        
        参数:
            channel: 通道 (CH_A, CH_B, CH_C, CH_D)
            code: 12-bit DAC码 (0-4095)
            vref: 参考源
            gain: 增益
            pd: 电源模式
            update: 是否立即更新输出
        """
        code = max(0, min(int(code), 4095))
        
        # 保存配置
        self._channel_configs[channel] = {
            'vref': vref,
            'gain': gain,
            'pd': pd
        }
        
        byte2 = 0b01011000 | (channel << 1) | (0 if update else 1)
        
        # Byte 3: VREF PD1 PD0 Gx D11 D10 D9 D8
        byte3 = (vref << 7) | (pd << 5) | (gain << 4) | ((code >> 8) & 0x0F)
        
        # Byte 4: D7-D0
        byte4 = code & 0xFF
        
        # 发送数据
        data = bytes([byte2, byte3, byte4])
        self.i2c.writeto(self.addr, data)
        
        # 如果update=True且UDAC=0，输出会在ACK后更新
        # 如果update=False，需要拉低LDAC来更新
        if not update:
            self.update_all()

传入目标电压，函数自动根据当前参考源和增益计算 12-bit DAC 码。
内部参考 2.048V，配合增益 ×2 时满量程为 4.096V；增益 ×1 时为 2.048V。
若使用 VDD 参考，强制增益为 ×1，满量程约 3.3V。
计算出的 code 限制在 0~4095 后，调用 set_dac_code() 下发。

程序流程图

输出测试

通道 A（设定输出 0.5V）	通道 B（设定输出 1.0V）

通道 C（设定输出 1.5V）	通道 D（设定输出 2.0V）

完整源码

from machine import Pin, I2C
import time

class MCP4728:
    # I2C设备地址 (Device Code = 1100, A2A1A0默认=000)
    DEFAULT_ADDR = 0x60  # 0b1100000 = 0x60
    
    # 命令类型
    CMD_FAST_WRITE = 0b000  # C2C1C0 = 000
    CMD_MULTI_WRITE = 0b010  # C2C1C0 = 010, W1W0=00
    CMD_SEQ_WRITE = 0b010    # C2C1C0 = 010, W1W0=10
    CMD_SINGLE_WRITE = 0b010 # C2C1C0 = 010, W1W0=11
    
    # 通道选择
    CH_A = 0b00
    CH_B = 0b01
    CH_C = 0b10
    CH_D = 0b11
    
    # 参考源选择
    VREF_INTERNAL = 1  # 2.048V
    VREF_VDD = 0       # VDD (3.3V)
    
    # 增益选择
    GAIN_X1 = 0  # 增益1
    GAIN_X2 = 1  # 增益2 (仅内部参考有效, VDD参考时强制x1)
    
    # 电源模式
    PD_NORMAL = 0b00      # 正常模式
    PD_1K = 0b01          # 1kΩ下拉
    PD_100K = 0b10        # 100kΩ下拉
    PD_500K = 0b11        # 500kΩ下拉
    
    def __init__(self, i2c, addr=DEFAULT_ADDR, ldac_pin=2, rdy_pin=3):
        """
        初始化MCP4728
        
        参数:
            i2c: I2C对象 (如 I2C(0, sda=Pin(0), scl=Pin(1), freq=400000))
            addr: I2C设备地址 (默认0x60)
            ldac_pin: LDAC引脚编号 (默认GP2)
            rdy_pin: RDY/BSY引脚编号 (默认GP3, 不用可设为None)
        """
        self.i2c = i2c
        self.addr = addr
        self.ldac = Pin(ldac_pin, Pin.OUT, value=1)  # LDAC高电平，不更新
        
        if rdy_pin is not None:
            self.rdy = Pin(rdy_pin, Pin.IN, Pin.PULL_UP)
        else:
            self.rdy = None
            
        # 存储各通道配置 (用于快速写等操作)
        self._channel_configs = {
            self.CH_A: {'vref': self.VREF_INTERNAL, 'gain': self.GAIN_X1, 'pd': self.PD_NORMAL},
            self.CH_B: {'vref': self.VREF_INTERNAL, 'gain': self.GAIN_X1, 'pd': self.PD_NORMAL},
            self.CH_C: {'vref': self.VREF_INTERNAL, 'gain': self.GAIN_X1, 'pd': self.PD_NORMAL},
            self.CH_D: {'vref': self.VREF_INTERNAL, 'gain': self.GAIN_X1, 'pd': self.PD_NORMAL},
        }
        
        # 验证设备连接
        self._check_device()
    
    
    def _check_device(self):
        """检查设备是否在线"""
        devices = self.i2c.scan()
        if self.addr not in devices:
            raise OSError(f"MCP4728未找到! I2C地址0x{self.addr:02X}不在扫描列表中: {[hex(d) for d in devices]}")
        print(f"MCP4728 已连接, 地址: 0x{self.addr:02X}")
    
    
    def set_voltage(self, channel, voltage, vref=None, gain=None, update=True):
        """
        设置指定通道的输出电压
        
        参数:
            channel: 通道 (CH_A, CH_B, CH_C, CH_D)
            voltage: 目标电压 (V)
            vref: 参考源选择 (None=使用当前配置, VREF_INTERNAL/VREF_VDD)
            gain: 增益选择 (None=使用当前配置, GAIN_X1/GAIN_X2)
            update: 是否立即更新输出 (默认True)
        
        返回:
            实际设置的DAC code值 (0-4095)
        """
        # 确定参考源和增益
        if vref is None:
            vref = self._channel_configs[channel]['vref']
        if gain is None:
            gain = self._channel_configs[channel]['gain']
        
        # VDD参考时强制增益为x1
        if vref == self.VREF_VDD:
            gain = self.GAIN_X1
        
        # 计算满量程电压
        if vref == self.VREF_INTERNAL:
            vref_val = 2.048
            v_fullscale = vref_val * (2 if gain == self.GAIN_X2 else 1)
        else:
            v_fullscale = 3.3  # VDD = 3.3V
        
        # 限制电压范围
        voltage = max(0, min(voltage, v_fullscale))
        
        # 计算DAC code: Vout = Vref * Dn/4096 * Gx
        # Dn = Vout * 4096 / (Vref * Gx)
        if vref == self.VREF_INTERNAL:
            code = int(voltage * 4096 / (2.048 * (2 if gain == self.GAIN_X2 else 1)))
        else:
            code = int(voltage * 4096 / 3.3)
        
        code = max(0, min(code, 4095))
        
        # 发送设置命令
        self.set_dac_code(channel, code, vref=vref, gain=gain, pd=self.PD_NORMAL, update=update)
        
        return code
    
    
    def set_dac_code(self, channel, code, vref=VREF_INTERNAL, gain=GAIN_X1, 
                     pd=PD_NORMAL, update=True):
        """
        直接设置DAC数字码 (12-bit, 0-4095)
        
        参数:
            channel: 通道 (CH_A, CH_B, CH_C, CH_D)
            code: 12-bit DAC码 (0-4095)
            vref: 参考源
            gain: 增益
            pd: 电源模式
            update: 是否立即更新输出
        """
        code = max(0, min(int(code), 4095))
        
        # 保存配置
        self._channel_configs[channel] = {
            'vref': vref,
            'gain': gain,
            'pd': pd
        }
        
        byte2 = 0b01011000 | (channel << 1) | (0 if update else 1)
        
        # Byte 3: VREF PD1 PD0 Gx D11 D10 D9 D8
        byte3 = (vref << 7) | (pd << 5) | (gain << 4) | ((code >> 8) & 0x0F)
        
        # Byte 4: D7-D0
        byte4 = code & 0xFF
        
        # 发送数据
        data = bytes([byte2, byte3, byte4])
        self.i2c.writeto(self.addr, data)
        
        # 如果update=True且UDAC=0，输出会在ACK后更新
        # 如果update=False，需要拉低LDAC来更新
        if not update:
            self.update_all()
    
    
    def update_all(self):
        """拉低LDAC引脚，同时更新所有通道输出"""
        self.ldac.value(0)
        time.sleep_us(1)  # 最小210ns, 留足裕量
        self.ldac.value(1)
    
    
    def set_vref(self, ch_a=1, ch_b=1, ch_c=1, ch_d=1):
        """设置各通道参考源 (1=内部2.048V, 0=VDD)"""
        # Command: C2C1C0 = 100 (Write VREF)
        byte2 = 0b10000000
        byte3 = (ch_a << 3) | (ch_b << 2) | (ch_c << 1) | ch_d
        
        data = bytes([byte2, byte3])
        self.i2c.writeto(self.addr, data)
        
        # 更新配置缓存
        for ch, vref in zip([0,1,2,3], [ch_a, ch_b, ch_c, ch_d]):
            self._channel_configs[ch]['vref'] = vref
    
    
    def set_gain(self, ch_a=0, ch_b=0, ch_c=0, ch_d=0):
        """设置各通道增益 (0=x1, 1=x2)"""
        # Command: C2C1C0 = 110 (Write Gain)
        byte2 = 0b11000000
        byte3 = (ch_a << 3) | (ch_b << 2) | (ch_c << 1) | ch_d
        
        data = bytes([byte2, byte3])
        self.i2c.writeto(self.addr, data)
        
        for ch, gain in zip([0,1,2,3], [ch_a, ch_b, ch_c, ch_d]):
            self._channel_configs[ch]['gain'] = gain


def main():
    """主程序"""
    
    # 初始化I2C (GP0=SDA, GP1=SCL)
    i2c = I2C(0, sda=Pin(0), scl=Pin(1), freq=400000)
    
    # 初始化MCP4728 (LDAC=GP2, RDY=GP3)
    dac = MCP4728(i2c, ldac_pin=2, rdy_pin=3)
    
    dac.set_vref(1, 1, 1, 1)  # 全部使用内部参考
    dac.set_gain(0, 0, 0, 0)  # 全部增益x1 (0~2.048V)
    
    # 通道A: 0.5V
    code_a = dac.set_voltage(MCP4728.CH_A, 0.5)
    print(f"CH_A: 0.5V (code={code_a})")
    time.sleep_ms(10)
    
    # 通道B: 1.0V
    code_b = dac.set_voltage(MCP4728.CH_B, 1.0)
    print(f"CH_B: 1.0V (code={code_b})")
    time.sleep_ms(10)
    
    # 通道C: 1.5V
    code_c = dac.set_voltage(MCP4728.CH_C, 1.5)
    print(f"CH_C: 1.5V (code={code_c})")
    time.sleep_ms(10)
    
    # 通道D: 2.0V
    code_d = dac.set_voltage(MCP4728.CH_D, 2.0)
    print(f"CH_D: 2.0V (code={code_d})")
    time.sleep_ms(10)


if __name__ == "__main__":
    main()

心得体会

很高兴能参加硬禾科技联合 DigiKey 得捷发起的 2026 Make Blocks 第二季设计挑战赛，本期主题是仪表/测试测量模块。在自动控制系统中，精准的模拟量输出是实现闭环控制、可调增益与可编程基准的关键环节。通过参加本期活动，以 MCP4728 四通道 12 位 DAC 为核心完成了数模转换模块的原理图与 PCB 设计，学习了 I²C 接口多通道 DAC 的硬件设计。硬件制作完成后，通过树莓派 Pico 2 开发板编写驱动程序，成功实现模块初始化、多通道 DAC 输出功能，加深了对数字量到模拟量精确转换与多路同步输出控制的理解。