ADC/DAC工作原理与常见应用解析

在嵌入式开发和电子系统中，我们经常会遇到“模拟”和“数字”之间的转换问题。

• ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）：将连续变化的模拟信号转换为数字信号。
• DAC（Digital to Analog Converter，数模转换器）：将离散的数字信号还原为模拟信号。

可以说，ADC 与 DAC 是数字世界与模拟世界之间的“桥梁”，让 MCU 能够感知和影响现实世界。

一、ADC 的工作原理

ADC 的核心任务是：把模拟电压（如 0～3.3V）映射为对应的二进制数字（如 0～4095）。其过程通常分为三步：

1. 采样（Sampling）

• 使用采样保持电路（Sample & Hold）瞬时抓取模拟信号。
• 采样频率必须大于信号频率的两倍（奈奎斯特定理），否则会出现混叠失真。

• 量化（Quantization）
  • 将模拟电压区间划分为若干离散等级。
  • 例如 12 位 ADC，可分成 2¹² = 4096 个等级，每个等级对应一个电压范围。
• 编码（Encoding）
  • 将量化后的电压值转化为对应的二进制数字，供 MCU 处理。

常见 ADC 架构：

• 逐次逼近型（SAR ADC）：兼顾速度和精度，MCU 常用。
• Σ-Δ型（Sigma-Delta ADC）：高精度，适合音频或精密测量设备。
• 闪速型（Flash ADC）：速度极快，适用于高速数据采集场景。

二、DAC 的工作原理

DAC 的任务是：将 MCU 内部的数字信号（如101010）转换为连续的模拟电压或电流。

常见实现方式：

1. 权重电阻法（R-2R 阻抗网络）

• 数字信号通过电阻网络加权叠加，生成对应模拟电压。
• 常用于中低精度 DAC。

• 电流源加权法
  • 利用开关控制电流源，叠加生成输出电流，再转换为电压。
• Σ-Δ型 DAC
  • 将高频脉冲信号经过低通滤波，得到平滑模拟信号，常用于音频输出。

三、常见应用场景

1. ADC 的应用

• 传感器数据采集：温度、光照、压力、加速度等传感器输出通常为模拟信号，需要 ADC 转换。
• 音频录音：麦克风输出的连续模拟信号，通过 ADC 转为数字波形，便于处理和存储。
• 电压、电流检测：电源管理芯片、智能电表等实时监控系统。

2. DAC 的应用

• 音频输出：数字音乐文件（MP3、WAV）通过 DAC 转换为模拟信号，驱动耳机或音箱。
• 电压控制：DAC 可输出指定电压，用于调节电机速度、LED 亮度或功放控制。
• 信号发生器：输出正弦波、三角波等模拟波形，用于测试或驱动电路。

四、ADC 与 DAC 对比

特性	ADC	DAC
功能	模拟 → 数字	数字 → 模拟
典型位宽	8/10/12/16 位	8/10/12/16 位
常见应用	传感器采集、音频输入、电压检测	音频播放、模拟控制、波形输出
硬件结构	SAR、Σ-Δ、Flash	R-2R、电流源、Σ-Δ
MCU 相关	STM32 内置多路 ADC	STM32F 系列部分内置 DAC

五、总结

• ADC 是 MCU 感知世界的“眼睛”：它让数字电路理解模拟传感器信号。
• DAC 是 MCU 作用世界的“嘴巴”：它让数字电路发出模拟信号，驱动真实设备。

理解 ADC 与 DAC 的原理与应用，不仅有助于合理选择 MCU 和外围芯片，也能在实际项目中设计更高效、更稳定的系统。