A/D

A/D簡介

　　隨著數(shù)字技術，特別是信息技術的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領域，為了提高系統(tǒng)的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數(shù)字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉換為相應模擬信號才能為執(zhí)行機構所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路--模數(shù)和數(shù)模轉換器。

　　將模擬信號轉換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉換器（簡稱A/D轉換器或ADC，Analog to Digital Converter）；將數(shù)字信號轉換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉換器（簡稱D/A轉換器或DAC，Digital to Analog Converter）；A/D轉換器和D/A轉換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。

A/D百科

　　數(shù)模轉換的概念：數(shù)模轉換器，又稱D/A轉換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉變成模擬的器件。D/A轉換器基本上由4個部分組成，即權電阻網(wǎng)絡、運算放大器、基準電源和模擬開關。模數(shù)轉換器中一般都要用到數(shù)模轉換器，模數(shù)轉換器即A/D轉換器，簡稱ADC，它是把連續(xù)的模擬信號轉變?yōu)殡x散的數(shù)字信號的器件。

　　基本概念

　　隨著數(shù)字技術，特別是信息技術的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領域，為了提高系統(tǒng)的性能指標，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數(shù)字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉換為相應模擬信號才能為執(zhí)行機構所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路--模數(shù)和數(shù)模轉換器。

　　將模擬信號轉換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉換器（簡稱A/D轉換器或ADC，Analog to Digital Converter）；將數(shù)字信號轉換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉換器（簡稱D/A轉換器或DAC，Digital to Analog Converter）；A/D轉換器和D/A轉換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。

　　為確保系統(tǒng)處理結果的精確度，A/D轉換器和D/A轉換器必須具有足夠的轉換精度；如果要實現(xiàn)快速變化信號的實時控制與檢測，A/D與D/A轉換器還要求具有較高的轉換速度。轉換精度與轉換速度是衡量A/D與D/A轉換器的重要技術指標。隨著集成技術的發(fā)展，現(xiàn)已研制和生產(chǎn)出許多單片的和混合集成型的A/D和D/A轉換器，它們具有愈來愈先進的技術指標。

　　模塊設計

　　本實例的A/D模塊采用流水線結構的12位模－數(shù)轉換器（ADC），內(nèi)部由流水線ADO、基準電壓源、控制邏輯、FIFO、緩沖器、采樣保持器和多路器切換開關等組成。其功能有：

　　·片選信號CS，低電平有效，設置片選信號，以便與各種處理器連接。

　　·轉換時鐘或啟動轉換信號，單次轉換時為啟動轉換，連續(xù)轉換時是時鐘輸入信號。

　　·數(shù)據(jù)有效可以讀取信號，可作為轉換結束或數(shù)據(jù)準備好信號輸出。

　　·模擬單端輸入時，分別接外部信號，差分輸入時，前后兩個端子分別組成一對差分輸入端。

　　·讀信號RD、寫WR或讀寫組合信號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出控制。

　　·模擬電源、數(shù)字電源和緩沖器電源的輸入端，一股前者采用5V電源，后兩者采用3．3V電源。

　　值得注意的是，A/D模塊內(nèi)部的FIFO安排成環(huán)形，采用讀取點、寫入點和觸發(fā)點控制讀寫操作，如圖1所示。

　　系統(tǒng)采用中斷方式來設計A/D模塊，其工作原理是由ARM的CLK時鐘連接A/D芯片的轉換時鐘控制采樣保持和A/D變換。這樣讓設定通道的信號同時采樣保持，然后分別轉換為數(shù)字信號并自動順序寫入FIFO，同時FIFO的寫入點向前移動，指示下一個寫入點；當FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)達到預定的觸發(fā)深度時，發(fā)出數(shù)據(jù)就緒信號申請中斷，ARM響應中斷讀取轉換數(shù)據(jù)，同時清除信號，讀取點和觸發(fā)點向前移動。芯片的工作方式由兩個寄存器控制，通過編寫ARM程序寫寄存器，可以選擇使用通道、工作模式、∏FO觸發(fā)深度、極性與觸發(fā)方式等。

　　轉換過程

　　A/D轉換可分為4個階段：即采樣、保持、量化和編碼。

　　采樣就是將一個時間上連續(xù)變化的信號轉換成時間上離散的信號，根據(jù)奈奎斯特采樣定理fsZZfh，如果采樣信號頻率大于或等于2倍的最高頻率成分，則可以從采樣后的信號無失真地重建恢復原始信號?？紤]到模數(shù)轉換器件的非線性失真、量化噪聲及接收機噪聲等因素的影響，采樣頻率一般取2．5～3倍的最高頻率成分。但轉換速度較慢。有些轉換器還將多路開關?；鶞孰妷涸础r鐘電路。譯碼器和轉換電路集成在一個芯片內(nèi)，已超出了單純a/d轉換功能，使用十分方便。

　　要把一個采樣信號準確地數(shù)字化，就需要將采樣所得的瞬時模擬信號保持一段時間，這就是保持過程。保持是將時間離散、數(shù)值連續(xù)的信號變成時間連續(xù)、數(shù)值離散信號，雖然邏輯上保持器是一個獨立的單元，但是，實際上保持器總是與采樣器做在一起，兩者合稱采樣保持器。圖給出了A/D采樣電路的采樣時序圖，采樣輸出的信號在保持期間即可進行量化和編碼。

　　量化是將時間連續(xù)、數(shù)值離散的信號轉換成時間離散、幅度離散的信號；編碼是將量化后的信號編碼成二進制代碼輸出。到此，也就完成了A/D轉換，這些過程通常是合并進行的。例如，采樣和保持就經(jīng)常利用一個電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在保持過程中實現(xiàn)的。

　　D/A和A/D具體工作原理

　　DAC即Digital to Analog Converter，數(shù)字到模擬量轉換器，把枯燥無味的數(shù)字轉換成現(xiàn)實中的、模擬的增量。DAC是個黑盒，輸進去一串101010111000……，DAC內(nèi)部按照預定的位數(shù)，6位、8位、24位量化結果，輸出端給出持續(xù)變化的電壓或電流，參考另外一路電壓或電流，則那組持續(xù)變化的電壓/電流就有了意義。驅動LED則會閃爍，驅動電機則會停停走走，驅動喇叭會發(fā)出聲音，于是DAC就有了意義。

　　ADC原理完全相反，自然界中的模擬量如聲音、水溫、顏色、速度、力量、化學成分……在輸入的熱電偶、傳感器、話筒、溫控電阻上產(chǎn)生一路變化的電壓，ADC按照預定位數(shù)、頻率，把這些變化的模擬量量化成一串10100111000……，然后如何處理就不關它事了。ADC存在于今日眾多日常設備中，數(shù)碼相機、手機、電腦、錄音筆、汽車上的數(shù)百個傳感器、安檢門、雷達等等……。

　　DAC原理解釋——

　　DAC不是一個伴隨著高科技的電子技術才問世的東西，早在19世紀即有機械式DAC，把一串二進制紙帶打孔信號量化成幾個燈泡的順序開啟，這個我們不做研究。

　　二進制數(shù)字轉換成模擬量，首先舉例，比如我們知道二進制b‘1000換十進制是d’8，b‘0101是d’5。（b表示binary斌納瑞二進制，d表示decimal黛西貓十進制，是不是萌萌噠？）那我們需要把這兩個二進制數(shù)字輸入DAC后，得到開啟的8個燈泡和5個燈泡（模擬量量化），需要做什么工作呢？首先我們從19世紀的開爾文男爵那里得到了開爾文分壓器電路，目前世界上大多數(shù)DAC仍然使用相近的原理：

　　說明：

　　·Terminal A接參考電壓，Terminal B接地線。

　　·LSB是最低有效位，即0101的最低位那個1，就進LSB，造成LSB位的開關導通。

　　·MSB是最高有效位，如果我們輸入100000這個七位數(shù)，最高位的那個1就進入MSB，造成開關導通。

　　·電阻R的每個電阻阻值都完全相同。

　　讓我們分析一下這個東西：

　　1·當沒有開關導通，即輸入00000……時，電流從A到B，過串聯(lián)的7個電阻入地，如果每個電阻的阻值都是10歐，而參考電壓是10伏特，則輸出TAP是浮動。

　　2·輸入0000001，LSB開關導通，相當于串聯(lián)70歐電阻，并聯(lián)0歐電阻，根據(jù)電壓分壓公式得出輸出是0伏。

　　3·輸入0000010，LSB閉合，第二個開關導通，等效于串聯(lián)60歐姆電阻，并聯(lián)10歐姆電阻，由分壓公式得出1.42V，這個電壓代表2。

　　4·輸入0000100，低位第3個電阻接通，等效于串聯(lián)50歐姆，并聯(lián)20歐姆，分壓公式得出2.857，這個電壓代表4。

　　輸入10000000，開啟最高位，等效于短路，參考電壓10伏直接輸出，這個電壓代表128。

　　綜上，只要把二進制數(shù)字分組（DAC每次轉換是并行處理，即一組數(shù)字共同發(fā)過去開啟開關）源源不斷的輸入DAC，TAP輸出端即可每次量化出不同的電壓，D to A就此完成。另外如果TAP端接電壓，Terminal B做輸出端，則每次輸出的都是電壓不變，電流變化的電流輸出信號。

　　這個圖片十分簡陋，僅僅是簡單的說明了記權電阻網(wǎng)絡，即“音量開關”型DAC的簡易工作原理。在實際生活中，我們接觸和使用最多的，是R-2R電阻網(wǎng)絡式DAC：

　　圖中左側三角是運算放大器，輸入的差分端同兩組不同的電阻網(wǎng)絡連接，輸入數(shù)字后，根據(jù)電阻分壓原理，改變運算放大器的“負端”電位，實現(xiàn)輸出Uo的變化。基本原理跟上邊那個圖沒有明顯區(qū)別。

　　ADC則完全相反過來。

　　就這樣，沒有用歐姆定律嚇人，沒有艱深莫測的名詞，這是我能做到的最簡易的方式向題主解釋DAC的原理。