A/D和D/A转换的基础知识

单片机怎么与模拟信号“交流”

我们都知道单片机只能识别0或1两种数字信号，但是现实世界所有的存在都以具体的模拟量为主，比如电压，电流，气压，质量等等，那单片机要怎么才能和这些信号打交道呢？ 要是没有“交流”那电子世界不就会乱套了，那可能比哥伦布刚发现印第安人那刻还乱吧。 是不是就必须得有工具来“翻译”这些信息了，这里就不得不利用数模转换功能了，学了电子技术基础的朋友应该都有印象吧。 它们就像单片机与外界信息交流的翻译官。

我们做项目开发时基本都会用到数模转换（A/D、D/A），尤其是A/D单元，几乎是项目必用的。 所以它们的地位还是很重要的，基础版的51单片机内部是没有集成这些单元的，所以课本上介绍这些知识时都会使用外接芯片来讲解，但是现在新出的芯片几乎都是内部集成数模转换功能，只要对着手册在程序中设置一下引脚功能就可以进行操作了。 所以之前的内容中我一直没介绍外接数模转换芯片这一块的知识，现在来介绍这一部分内容也是比较尴尬的事，毕竟介绍再多工作中用到的概率不大。 所以今天就写些一看就懂的内容，书本上有的电路，程序就不举例说明了。

A/D和D/A转换模型分类都比较多，这些细节可以参考相关书籍做了解。 反正说白了，数模转换原理是简单的，普通的模块也是廉价的，不然现在的MCU也不会集成它。 但是高性能的数模转换芯片国内现在是欠缺的，这就影响了国内工业在很多高精行业芯片不得不依靠进口。 长江后浪推前浪，但愿这些可以早日突破吧。

A/D转换基础

A/D变换就是将模拟信号转换为数字信号传入给单片机，通常用于单片机采集各类信号，最终都会以检测电压的形式体现出来，转换过程通常包含采样、量化和编码3个步骤。

A/D转换步骤

采样是将连续的模拟信号变成不连续的模拟信号，就像控制一个快速开关，开关定时开启闭合过程，一个连续的模拟信号就形成一系列的脉冲信号，称为采样信号。

在理想数据采集系统中，只要满足采样定理——采样频率不小于被采集信号最高频率的2倍（即fs ≥2fmax ），则采样输出信号就可以无失真的重现原输入信号，而在实际应用中通常会设置更高的采样频率，当然采样频率越高，计算量就越大，对芯片的处理能力要求就越高。 比如我们测试心率，胎儿到大人每分钟心率从四五十到两百多都有可能。 即每秒最多4次，那我们的采样频率是不是设置8Hz就能测出心率了呢？ 当然不是这样的，即使是80hz也不一定能测出准确的数据，实际开发中我们得设置几百Hz甚至上千Hz的采样频率。

量化过程是将模拟信号变成数字信号的过程，输入信号的幅值变化就与实际的数值对应起来，完成了从模拟到数字的变换； 量化过程也会引入误差，增加采样频率和幅值的表示位数可以减少误差。 将量化过程得到的量化值进行二进制编码，对相同范围的模拟量，编码位数越多，量化误差越小。

转换过程

D/A转换基础

与A/D转换相反，D/A转换就是使用单片机输出模拟信号，和A/D一样也是有转换精度的，最常见的应用就是波形发生器，汽车，仪表类行业对这个要求会比较高。

并行D/A转换原理

正如图中所画，D/A转换时恰好和A/D转换相反，内部由多个按一定规律设计的阻电阻网络的控制开关，通过比较器逐级比较从而输出与设计值最接近的模拟量。