ADC(模數轉換器)與DAC(數模轉換器)基礎解析

1. 定義與作用

ADC(Analog-to-Digital Converter)：將連續(xù)的模擬信號(如聲音、溫度)轉換為數字信號，供數字系統(tǒng)(如微處理器)處理。

DAC(Digital-to-Analog Converter)：將數字信號還原為模擬信號，驅動揚聲器、顯示器等模擬設備。

2. ADC工作原理

采樣(Sampling)：按固定時間間隔采集模擬信號值，需滿足奈奎斯特定理(采樣頻率 ≥ 2倍信號最高頻率)，避免混疊。

保持(Hold)：短暫保持采樣值，確保轉換期間信號穩(wěn)定。

量化(Quantization)：將幅度離散化為有限等級，產生量化誤差(分辨率越高，誤差越小)。

編碼(Encoding)：將量化值轉為二進制數字(如8位、12位等)。

常見類型：

逐次逼近型(SAR)：平衡速度與精度，適用于中高速場景。

積分型(如雙斜率)：高精度、低速，用于儀表測量。

Flash型(并行比較)：超高速，但分辨率受限，成本高。

3. DAC工作原理

解碼：將數字信號轉換為對應的電壓/電流值。

重建：通過電阻網絡(如R-2R梯形)或脈沖調制生成模擬信號，需低通濾波器平滑波形。

常見類型：

R-2R梯形網絡：精度高，易于集成。

權電阻網絡：簡單但電阻匹配要求高。

Σ-Δ型：高分辨率，用于音頻領域。

4. 關鍵性能參數

ADC：

分辨率：位數(如12位)，決定最小可辨信號。

采樣率：每秒采樣次數，影響信號帶寬。

信噪比(SNR)：信號與噪聲的功率比。

轉換時間：完成一次轉換所需時間。

DAC：

分辨率：同上，影響輸出精度。

建立時間：輸出穩(wěn)定到目標值所需時間。

線性度：實際輸出與理想直線的偏差。

5. 應用場景

ADC：傳感器信號采集(溫度、壓力)、音頻錄制、圖像數字化(攝像頭)。

DAC：音頻播放(耳機/揚聲器)、視頻輸出(顯示器)、電機控制(PWM信號轉換)。

6. 注意事項

ADC需使用抗混疊濾波器限制輸入信號帶寬。

DAC需重建濾波器消除階梯波形的高頻噪聲。

兩者均需考慮參考電壓穩(wěn)定性，避免轉換誤差。

ADC(模數轉換器)

功能

ADC的作用是將模擬信號轉換為數字信號。大多數傳感器(如溫度傳感器、光傳感器等)輸出的是連續(xù)的模擬信號，單片機需要使用ADC將這些模擬信號轉換為可以處理的數字信號。

工作原理

ADC會對輸入的模擬電壓進行采樣，并將采樣值量化為對應的數字值。其工作過程主要包括以下幾個步驟：

· 采樣：對輸入的模擬信號在一定時間間隔內進行采樣。

· 量化：將采樣得到的模擬值映射到一個離散的數字值。

· 編碼：將量化后的結果以二進制數的形式輸出給處理器。

關鍵參數

· 分辨率：分辨率決定了ADC可以區(qū)分的電壓等級。常見的ADC分辨率有8位、10位、12位等，分辨率越高，轉換后的數字精度越高。例如，10位ADC可以將模擬信號量化為0到1023之間的數字值。

· 采樣率：采樣率指每秒鐘對模擬信號進行采樣的次數，通常以kHz或MHz為單位。采樣率越高，能捕捉的信號變化越快。

· 輸入范圍：ADC能接受的輸入電壓范圍，通常由單片機的供電電壓或參考電壓決定。

DAC(數模轉換器)

1. 功能

DAC的作用是將數字信號轉換為模擬信號。單片機有時需要將處理后的數字數據轉化為模擬信號輸出，例如音頻信號、模擬控制電壓等場合就需要使用DAC。

2. 工作原理

DAC將輸入的數字數據通過特定的轉換方式生成對應的模擬信號輸出。其工作過程包括以下幾個步驟：

· 讀取數字輸入：DAC接收來自單片機或處理器的數字值。

· 轉換為模擬信號：根據輸入的數字值，生成對應的連續(xù)電壓或電流信號。

· 輸出模擬信號：轉換完成后，模擬信號會輸出到外部設備或電路中。

3. 關鍵參數

· 分辨率：DAC的分辨率與其輸出的模擬信號精度有關。比如，12位DAC能夠輸出4096個不同的電壓值。

· 輸出范圍：DAC的輸出電壓或電流范圍，通常與參考電壓或供電電壓有關。

· 輸出速率：DAC能以多快的速度將數字數據轉換為模擬信號。輸出速率越高，能夠生成的模擬信號越接近實際的連續(xù)信號。

ADC與DAC的定位

在電子技術領域，我們經常會遇到ADC和DAC這兩個術語。那么，ADC和DAC到底屬于模擬電子(模電)還是數字電子(數電)呢?實際上，它們并不完全屬于這兩者中的任何一個，而是橫跨模擬和數字兩大領域的橋梁。

ADC，即模數轉換器，它的主要功能是將連續(xù)的模擬信號轉換為離散的數字信號。而DAC，即數模轉換器，則執(zhí)行相反的操作，將離散的數字信號轉換為連續(xù)的模擬信號。這兩種轉換器在電子設備中扮演著很重要的角色，尤其是在需要處理模擬信號和數字信號的系統(tǒng)中。

ADC與DAC的工作原理

1. ADC的工作原理

ADC的工作過程可以大致分為采樣、量化和編碼三個步驟。采樣是指將連續(xù)的模擬信號在時間上進行離散化;量化則是將采樣得到的離散值映射到有限的數值范圍內;最后，將這些量化后的數值用二進制代碼表示，即編碼。通過這三個步驟，ADC成功地將模擬信號轉換為計算機能處理的數字信號。

2. DAC的工作原理

與ADC相反，DAC是將數字信號轉換為模擬信號。DAC接收數字輸入，并通過一系列電路操作，將其轉換為相應的電壓或電流輸出。這個過程涉及到數字信號的解碼和重建，以產生與原始數字信號相對應的模擬信號。

ADC與DAC的應用場景

ADC和DAC廣泛應用于各種電子設備中，如音頻設備、通信系統(tǒng)、傳感器數據采集系統(tǒng)等。以下是它們的一些具體應用場景：

1. 在音頻處理中，ADC用于將聲音信號轉換為數字信號，以便進行錄制、編輯和傳輸;而DAC則將處理后的數字音頻信號轉換回模擬信號，以驅動揚聲器發(fā)聲。

2. 在通信系統(tǒng)中，ADC和DAC同樣發(fā)揮著關鍵作用。發(fā)送端使用ADC將模擬信號轉換為數字信號進行傳輸，接收端則使用DAC將接收到的數字信號恢復為模擬信號。

3. 在傳感器數據采集系統(tǒng)中，ADC將傳感器輸出的模擬信號轉換為數字信號，以便于微處理器或計算機進行處理和分析。