模拟信号和数字信号的概念 ADC和DAC原理简介

仪器为什么一般会有设定值和回读值，如我们理解电源需要输出多少电压我们就设定多少，测试电压结果会在仪器主界面显示出来，那仪器的设定值是怎么转化为实际电信号控制仪器工作，回读值我们又是怎么得到的呢?本篇文章，小智将会为大家解读一下这个问题，希望对您有所帮助。

其实，仪器上的设定值和回读值跟我们常说的模数转换(Analog Digital Converter，ADC)和数模转换(Digital Analog Convert，DAC)有关。在这之前，我们先来了解一下什么是模拟信号和数字信号。

丨模拟信号和数字信号

模拟信号可以理解成是现实世界的物理量，但是这些物理量是电信号。比如说无线电信号等，模拟信号的特点是时间连续、幅值连续。它的优点是直观，易于实现。但是它也存在一些缺点，例如容易受到各种噪声的干扰，如果要对模拟信号进行处理还需要设计各种电路，会比较麻烦。

数字信号是对模拟信号进行采样处理后的信号，特点是时间离散，幅值离散。数字信号的优点就是为了弥补模拟信号的缺点，例如数字信号抗干扰能力强，易存储，方便做各种运算。

由于现在的计算机几乎已经占领了各个领域，因此这些领域对信号的处理都要转换成计算机能看得懂的信号，然后再交给计算机来处理，这些计算机能看懂的信号就是数字信号。那么将模拟信号转换成数字信号需要一种器件，它叫做模数转换器(ADC)。以此类推，既然ADC是将模拟量转换成数字量，那么也还有一种器件能把数字量转换成模拟量，它叫数模转换器(DAC)。

ADC和DAC的作用如图所示(ADC和DAC有时候也简写成A/D和D/A)

丨ADC和DAC原理简介

一、模数转换ADC

1.四个基本部分

①采样：定时对连续变化的模拟信号进行测量得到的瞬时值。

②保持：采样结束后将得到信号保持一段时间，使ADC有充分时间进行ADC转换。一般采样脉冲频率越高、采样越密，采样值就越多，采样保持电路的输出信号就越接近输入信号的波形。对采样频率要求(满足采样定理)：采样频率Fs >= 2*输入模拟信号频谱中最高频率Fmax。

③量化：将采样电压转换为某个最小单位电压的整数倍。

④编码：用二进制代码表示量化后的量化电平。

量化级越细，量化误差越小，所用二进制代码的位数就越多，电路也越复杂分类。

2.分类

①积分型：将输入电压转换成脉冲宽度信号或脉冲频率，使用定时器/计数器获取数字值。

优点：电路简单、分辨率高。

缺点：转换精度依赖于积分时间，转换速率较低。

②逐次比较型：由一个比较器和DAC转换器通过逐次比较逻辑构成，从最高位开始顺序地对每一位将输入电压与内置DAC转换器的输出进行比较，经过n次比较来输出数字值。

这个类型的ADC可以看作使用快速逼近-快速排序的方法来让DAC输出值靠近模拟值来实现ADC。

优点：速度高，功耗低，在低分辨率(12位)式具有性价比优势。

缺点：转换速率一般，电路规模中等。

③Σ-Δ调制型：使用积分器、比较器、1位DAC转换器和数字滤波器等构成，将输入电压转换成脉冲宽度信号，使用数字滤波器处理后得到数字值。

优点：可以容易地做到高分辨率测量。

缺点：转换速率低、电路规模大。

3.主要参数

①分辨率：输出数字量变化一个相邻数值所需输入模拟电压的变化量，一般用二进制的位数表示，分辨率为n表示是满刻度Fs的2的n次方分之一。

②量化误差：ADC的有限位数对模拟量进行量化而引起的误差。要准确表示模拟量，ADC的位数需要很大甚至无穷大，所以ADC器件都有量化误差。一个分辨率有限的ADC的阶梯状转换特性曲线与具有无限分辨率的ADC转化特性曲线之间的最大偏差就是量化误差。

③转换速率：每秒进行转换的次数。

④转换量程：ADC所能测量的最大电压，一般等于参考电压，超过此电压有可能损毁ADC。当信号较小时可以考虑降低参考电压来提高分辨率，改变参考电压后，对应的转换值也会改变，计算实际电压时需要将参考电压考虑进去，所以说一般参考电压都要做到很稳定且不带有高次谐波。

⑤偏移误差：ADC输入信号为0时，但ADC转换输出信号不为0的值。

⑥满刻度误差：ADC满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

⑦线性度：实际ADC的转移函数和理想直线的最大偏移。

二、数模转换DAC

1.基本结构

①数字寄存器：寄存输入的数字量和控制信号。

②模拟开关和转换网络：转换网络一般由一列电阻构成，模拟开关和对应的电阻按位加权。

③参考电压源：用于确定转换系数。

④求和放大器：对来自转换网络的模拟量进行相加。

2.分类

①电压输出型：从电阻网络直接输出电压，通常会在输出端加放大器来降低输出阻抗。

②在输出端不加放大器的电压输出型：减少输出端部分的延迟，常用于高速场合。

③电流输出型：一般很少直接利用电流输出，大多数会外接电流-电压转换电路得到电压输出。

根据如何进行电流-电压转换又分成两类：

●在输出引脚上接负载电阻

缺点：输出阻抗高、必须在规定的输出电流范围内使用，否则可能损坏DAC。

●外接运算放大器

缺点：加入了外接运放和导线的延迟，响应变慢。

电流输出型很少用，一般使用电压输出型。

3.主要参数

①分辨率：最小输出电压(也就是输入数字量为1时的电压)与最大输出电压(也就是输入数字量为最大(每一位都是1)时的电压)之比。一般通过输入数字量的位数来表示。

②转换量程：DAC能输出的最大电压，一般的关于参考电压或其倍数。

③建立时间：从输入数字量到输出模拟量之间的延时时间。

④转换精度：与ADC的转换精度类似。

丨结语

目前的嵌入式系统的开发都是围绕着单片机和FPGA这种核心处理器来开发，而这两者都是数字芯片，它们处理的信号都是数字量。

而通常情况下的嵌入式系统都是为了解决某一个专用问题而设计的，比如说测温枪，它需要将人体温度这个物理信号转成换电压形式的数字信号交给核心控制器件来处理才可以，因此需要ADC来做这种物理信号到电形式的数字信号的转换，严谨一点说是需要一个传感器将温度的物理信号转换成电压形式的模拟信号，然后再需要ADC把模拟信号转换成数字信号。

同样DAC的作用也是相似的，当核心处理器需要驱动实际的物理设备的时候，需要将数字信号转换成模拟信号，因为实际的物理设备只能看懂模拟信号， DAC就负责完成数字量到模拟量的转换。

测试仪器也是类似原理，如直流电源将主界面电压设定值(数字信号)通过一系列DAC核心控制处理转换成实际电压模拟量输出，电压回读值则是通过ADC采样将输出电压模拟量转化为数字信号显示在主界面。

审核编辑：汤梓红