A/D和D/A轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)知識(shí)

單片機(jī)怎么與模擬信號(hào)“交流”

我們都知道單片機(jī)只能識(shí)別0或1兩種數(shù)字信號(hào)，但是現(xiàn)實(shí)世界所有的存在都以具體的模擬量為主，比如電壓，電流，氣壓，質(zhì)量等等，那單片機(jī)要怎么才能和這些信號(hào)打交道呢？ 要是沒有“交流”那電子世界不就會(huì)亂套了，那可能比哥倫布剛發(fā)現(xiàn)印第安人那刻還亂吧。 是不是就必須得有工具來“翻譯”這些信息了，這里就不得不利用數(shù)模轉(zhuǎn)換功能了，學(xué)了電子技術(shù)基礎(chǔ)的朋友應(yīng)該都有印象吧。 它們就像單片機(jī)與外界信息交流的翻譯官。

我們做項(xiàng)目開發(fā)時(shí)基本都會(huì)用到數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D、D/A），尤其是A/D單元，幾乎是項(xiàng)目必用的。 所以它們的地位還是很重要的，基礎(chǔ)版的51單片機(jī)內(nèi)部是沒有集成這些單元的，所以課本上介紹這些知識(shí)時(shí)都會(huì)使用外接芯片來講解，但是現(xiàn)在新出的芯片幾乎都是內(nèi)部集成數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，只要對(duì)著手冊(cè)在程序中設(shè)置一下引腳功能就可以進(jìn)行操作了。 所以之前的內(nèi)容中我一直沒介紹外接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片這一塊的知識(shí)，現(xiàn)在來介紹這一部分內(nèi)容也是比較尷尬的事，畢竟介紹再多工作中用到的概率不大。 所以今天就寫些一看就懂的內(nèi)容，書本上有的電路，程序就不舉例說明了。

A/D和D/A轉(zhuǎn)換模型分類都比較多，這些細(xì)節(jié)可以參考相關(guān)書籍做了解。 反正說白了，數(shù)模轉(zhuǎn)換原理是簡單的，普通的模塊也是廉價(jià)的，不然現(xiàn)在的MCU也不會(huì)集成它。 但是高性能的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片國內(nèi)現(xiàn)在是欠缺的，這就影響了國內(nèi)工業(yè)在很多高精行業(yè)芯片不得不依靠進(jìn)口。 長江后浪推前浪，但愿這些可以早日突破吧。

A/D轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)

A/D變換就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳入給單片機(jī)，通常用于單片機(jī)采集各類信號(hào)，最終都會(huì)以檢測(cè)電壓的形式體現(xiàn)出來，轉(zhuǎn)換過程通常包含采樣、量化和編碼3個(gè)步驟。

A/D轉(zhuǎn)換步驟

采樣是將連續(xù)的模擬信號(hào)變成不連續(xù)的模擬信號(hào)，就像控制一個(gè)快速開關(guān)，開關(guān)定時(shí)開啟閉合過程，一個(gè)連續(xù)的模擬信號(hào)就形成一系列的脈沖信號(hào)，稱為采樣信號(hào)。

在理想數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，只要滿足采樣定理——采樣頻率不小于被采集信號(hào)最高頻率的2倍（即fs ≥2fmax ），則采樣輸出信號(hào)就可以無失真的重現(xiàn)原輸入信號(hào)，而在實(shí)際應(yīng)用中通常會(huì)設(shè)置更高的采樣頻率，當(dāng)然采樣頻率越高，計(jì)算量就越大，對(duì)芯片的處理能力要求就越高。 比如我們測(cè)試心率，胎兒到大人每分鐘心率從四五十到兩百多都有可能。 即每秒最多4次，那我們的采樣頻率是不是設(shè)置8Hz就能測(cè)出心率了呢？ 當(dāng)然不是這樣的，即使是80hz也不一定能測(cè)出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)際開發(fā)中我們得設(shè)置幾百Hz甚至上千Hz的采樣頻率。

量化過程是將模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)的過程，輸入信號(hào)的幅值變化就與實(shí)際的數(shù)值對(duì)應(yīng)起來，完成了從模擬到數(shù)字的變換； 量化過程也會(huì)引入誤差，增加采樣頻率和幅值的表示位數(shù)可以減少誤差。 將量化過程得到的量化值進(jìn)行二進(jìn)制編碼，對(duì)相同范圍的模擬量，編碼位數(shù)越多，量化誤差越小。

轉(zhuǎn)換過程

D/A轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)

與A/D轉(zhuǎn)換相反，D/A轉(zhuǎn)換就是使用單片機(jī)輸出模擬信號(hào)，和A/D一樣也是有轉(zhuǎn)換精度的，最常見的應(yīng)用就是波形發(fā)生器，汽車，儀表類行業(yè)對(duì)這個(gè)要求會(huì)比較高。

并行D/A轉(zhuǎn)換原理

正如圖中所畫，D/A轉(zhuǎn)換時(shí)恰好和A/D轉(zhuǎn)換相反，內(nèi)部由多個(gè)按一定規(guī)律設(shè)計(jì)的阻電阻網(wǎng)絡(luò)的控制開關(guān)，通過比較器逐級(jí)比較從而輸出與設(shè)計(jì)值最接近的模擬量。