A/D簡介

　　隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)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(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號；而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)換器。

　　將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC，Analog to Digital Converter）；將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC，Digital to Analog Converter）；A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換的概念：數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個(gè)部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC，它是把連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)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(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)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(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號；而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)換器。

　　將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC，Analog to Digital Converter）；將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC，Digital to Analog Converter）；A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)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(jié)果的精確度，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須具有足夠的轉(zhuǎn)換精度；如果要實(shí)現(xiàn)快速變化信號的實(shí)時(shí)控制與檢測，A/D與D/A轉(zhuǎn)換器還要求具有較高的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度是衡量A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)。隨著集成技術(shù)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(zhuǎn)換器，它們具有愈來愈先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)。

　　模塊設(shè)計(jì)

　　本實(shí)例的A/D模塊采用流水線結(jié)構(gòu)的12位模－數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），內(nèi)部由流水線ADO、基準(zhǔn)電壓源、控制邏輯、FIFO、緩沖器、采樣保持器和多路器切換開關(guān)等組成。其功能有：

　　·片選信號CS，低電平有效，設(shè)置片選信號，以便與各種處理器連接。

　　·轉(zhuǎn)換時(shí)鐘或啟動轉(zhuǎn)換信號，單次轉(zhuǎn)換時(shí)為啟動轉(zhuǎn)換，連續(xù)轉(zhuǎn)換時(shí)是時(shí)鐘輸入信號。

　　·數(shù)據(jù)有效可以讀取信號，可作為轉(zhuǎn)換結(jié)束或數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號輸出。

　　·模擬單端輸入時(shí)，分別接外部信號，差分輸入時(shí)，前后兩個(gè)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(shí)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(diǎn)、寫入點(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)控制讀寫操作，如圖1所示。

　　系統(tǒng)采用中斷方式來設(shè)計(jì)A/D模塊，其工作原理是由ARM的CLK時(shí)鐘連接A/D芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘控制采樣保持和A/D變換。這樣讓設(shè)定通道的信號同時(shí)采樣保持，然后分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并自動順序?qū)懭隖IFO，同時(shí)FIFO的寫入點(diǎn)向前移動，指示下一個(gè)寫入點(diǎn)；當(dāng)FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)定的觸發(fā)深度時(shí)，發(fā)出數(shù)據(jù)就緒信號申請中斷，ARM響應(yīng)中斷讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，同時(shí)清除信號，讀取點(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)向前移動。芯片的工作方式由兩個(gè)寄存器控制，通過編寫ARM程序?qū)懠拇嫫鳎梢赃x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(zhuǎn)換過程

　　A/D轉(zhuǎn)換可分為4個(gè)階段：即采樣、保持、量化和編碼。

　　采樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換成時(shí)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(fù)原始信號。考慮到模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的非線性失真、量化噪聲及接收機(jī)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(zhuǎn)換速度較慢。有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)。基準(zhǔn)電壓源。時(shí)鐘電路。譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，已超出了單純a/d轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。

　　要把一個(gè)采樣信號準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化，就需要將采樣所得的瞬時(shí)模擬信號保持一段時(shí)間，這就是保持過程。保持是將時(shí)間離散、數(shù)值連續(xù)的信號變成時(shí)間連續(xù)、數(shù)值離散信號，雖然邏輯上保持器是一個(gè)獨(dú)立的單元，但是，實(shí)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(shí)序圖，采樣輸出的信號在保持期間即可進(jìn)行量化和編碼。

　　量化是將時(shí)間連續(xù)、數(shù)值離散的信號轉(zhuǎn)換成時(shí)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(jìn)制代碼輸出。到此，也就完成了A/D轉(zhuǎn)換，這些過程通常是合并進(jìn)行的。例如，采樣和保持就經(jīng)常利用一個(gè)電路連續(xù)完成，量化和編碼也是在保持過程中實(shí)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(zhuǎn)換器，把枯燥無味的數(shù)字轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實(shí)中的、模擬的增量。DAC是個(gè)黑盒，輸進(jìn)去一串101010111000……，DAC內(nèi)部按照預(yù)定的位數(shù)，6位、8位、24位量化結(jié)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(qū)動LED則會閃爍，驅(qū)動電機(jī)則會停停走走，驅(qū)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(xué)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(yù)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(guān)它事了。ADC存在于今日眾多日常設(shè)備中，數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、電腦、錄音筆、汽車上的數(shù)百個(gè)傳感器、安檢門、雷達(dá)等等……。

　　DAC原理解釋——

　　DAC不是一個(gè)伴隨著高科技的電子技術(shù)才問世的東西，早在19世紀(jì)即有機(jī)械式DAC，把一串二進(jìn)制紙帶打孔信號量化成幾個(gè)燈泡的順序開啟，這個(gè)我們不做研究。

　　二進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬量，首先舉例，比如我們知道二進(jìn)制b‘1000換十進(jìn)制是d’8，b‘0101是d’5。（b表示binary斌納瑞二進(jìn)制，d表示decimal黛西貓十進(jìn)制，是不是萌萌噠？）那我們需要把這兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字輸入DAC后，得到開啟的8個(gè)燈泡和5個(gè)燈泡（模擬量量化），需要做什么工作呢？首先我們從19世紀(jì)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(gè)1，就進(jìn)LSB，造成LSB位的開關(guān)導(dǎo)通。

　　·MSB是最高有效位，如果我們輸入100000這個(gè)七位數(shù)，最高位的那個(gè)1就進(jìn)入MSB，造成開關(guān)導(dǎo)通。

　　·電阻R的每個(gè)電阻阻值都完全相同。

　　讓我們分析一下這個(gè)東西：

　　1·當(dāng)沒有開關(guān)導(dǎo)通，即輸入00000……時(shí)，電流從A到B，過串聯(lián)的7個(gè)電阻入地，如果每個(gè)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(guān)導(dǎo)通，相當(dāng)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(gè)開關(guān)導(dǎo)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(gè)電壓代表2。

　　4·輸入0000100，低位第3個(gè)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(gè)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(gè)電壓代表128。

　　綜上，只要把二進(jìn)制數(shù)字分組（DAC每次轉(zhuǎn)換是并行處理，即一組數(shù)字共同發(fā)過去開啟開關(guān)）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(gè)圖片十分簡陋，僅僅是簡單的說明了記權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)，即“音量開關(guān)”型DAC的簡易工作原理。在實(shí)際生活中，我們接觸和使用最多的，是R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)式DAC：

　　圖中左側(cè)三角是運(yùn)算放大器，輸入的差分端同兩組不同的電阻網(wǎng)絡(luò)連接，輸入數(shù)字后，根據(jù)電阻分壓原理，改變運(yùn)算放大器的“負(fù)端”電位，實(shí)現(xiàn)輸出Uo的變化。基本原理跟上邊那個(gè)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。