【物联网】深入了解AD/DA转换技术：模数转换和数模转换

绝地灬酷狼 2024-03-17 14:23 58阅读 0赞

**目录**

一、什么是AD转换

二、什么是DA转换

三、AD/DA转换器的应用

四、实现的细节

数模转换（DA转换）：

模数转换（AD转换）：

五、单片机实现

51单片机实现：

STM32实现：

总结：

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## 一、什么是AD转换 ##

AD转换（模数转换）是将模拟信号转换为数字信号的过程。在AD转换中，模拟信号通过采样和量化的方式转换为数字形式的离散样本。这个过程涉及到三个基本步骤：采样、量化和编码。

1. 采样：采样是指在一定时间间隔内获取模拟信号的离散样本。采样频率决定了每秒采样的样本数，通常以赫兹（Hz）为单位。

2. 量化：量化是将连续的模拟信号幅度值转换为离散的数字值。通过将模拟信号幅度值映射到离散级别上，实现对模拟信号的离散表示。

3. 编码：编码将量化后的样本值表示为二进制数据，以便将其存储或传输。常用的编码方法包括二进制编码和压缩编码。

AD转换器的输出是一系列数字样本，它们代表了原始模拟信号在离散时间点上的幅度。

## 二、什么是DA转换 ##

DA转换（数模转换）是将数字信号转换为模拟信号的过程。在DA转换中，数字数据根据一定的规则转换为模拟信号。DA转换器的输入是一系列数字样本，输出为连续的模拟信号。

1. 数字数据：数字数据通常以二进制形式表示，并存储在计算机系统或其他数字设备中。

2. 重构：DA转换器通过重构技术将数字数据转换为连续的模拟信号。重构过程中，数字样本被插值和滤波，使其变得连续且光滑。

3. 输出模拟信号：DA转换器的输出是通过模拟电路和滤波器处理后的连续模拟信号。输出信号的连续性和精确性取决于DA转换器的性能。

## 三、AD/DA转换器的应用 ##

AD/DA转换器应用广泛，涵盖了许多领域和行业。以下是一些常见的应用领域：

1. 音频和音乐：AD/DA转换器被广泛应用于音频和音乐产业中，包括音频录制、音频接口、数字音频处理器等。

2. 通信系统：AD/DA转换器在通信系统中扮演着重要角色。它们用于将模拟信号转换为数字信号进行传输，并将数字信号转换为模拟信号以便于接收。

3. 控制系统：AD/DA转换器在控制系统中用于将传感器信号转换为数字信号，以便进行数字信号处理和控制算法的执行。

4. 医疗设备：医疗设备中的AD/DA转换器用于采集和处理生物信号、影像数据等。

5. 工业自动化：在工业控制系统中，AD/DA转换器用

于将传感器反馈信号转换为数字形式，以便实时监测和控制工业过程。

6. 汽车电子：AD/DA转换器在汽车电子领域中广泛应用，包括音频系统、传感器数据采集、发动机控制等。

7. 视频处理：AD/DA转换器在视频处理和显示设备中起着重要作用，用于视频信号的采集、编解码、显示和处理。

8. 测量与仪器：AD/DA转换器用于各种测量仪器，如数据采集装置、示波器、多功能仪等，用于将模拟量转换为数字数据进行分析和处理。

9. 军事和航天：AD/DA转换器在军事和航天领域中的通信、雷达系统、导航系统等应用中发挥关键作用。

## 四、实现的细节 ##

### 数模转换（DA转换）： ###

1. 数字数据表示：在进行数模转换之前，数字信号通常以二进制形式存储。具体表示方法可以是补码、无符号数或其他编码方式，具体取决于应用的要求和数据处理算法。

2. 重构技术：数字数据经过DA转换后需要还原成模拟信号。这个过程中使用了重构技术，包括插值、滤波和采样定理的应用。插值用于在数字样本之间进行插值，以生成连续的波形数据。滤波器通常用于去除混叠谱或其他噪音，以保持波形的平滑性和准确性。

3. 输出模拟电路：DA转换后的连续模拟信号需要经过模拟电路处理，以满足特定应用的要求。这可能包括放大、滤波、隔离和适配等操作，以使得输出信号适用于接收电路、显示设备或执行特定任务。

4. 采样速率：在DA转换中，采样速率是一个重要参数，表示在时间上对模拟信号进行离散采样的频率。根据采样定理，采样速率必须高于模拟信号的最高频率成分的两倍，以保证完全再现原始模拟信号。

5. 分辨率：分辨率是指DA转换器的输出的精度。它决定了输出的位数和可能的输出级别。分辨率越高，输出的表示能力越精细，能够提供更准确的模拟信号。

6. 输出速率：输出速率指的是DA转换器每秒钟可以输出的数据点数。它取决于采样率、分辨率和转换器本身的性能。高输出速率对于要求实时性或高频率信号表示的应用非常重要。

### 模数转换（AD转换）： ###

1. 采样方式：模数转换的第一步是采样，即将模拟信号在一定时间间隔内获取离散的采样点。采样可以通过不同的方式进行，包括周期性采样、间隙采样和即时采样等。采样频率决定了每秒采集的样本数，通常以赫兹（Hz）为单位。

2. 量化过程：采样后的模拟信号还是连续的，需要将其量化为离散的数字值。量化过程将采样点的幅度映射到离散级别上，因此涉及到量化器的选择以及量化级别的确定。通常，采用等距离离散级别，并使用ADC（Analog-to-Digital Converter）来执行量化操作。

3. 编码方式：量化后的样本值需要进行编码，将其表示为二进制数据以方便存储和传输。常见的编码方式包括直接二进制编码（Binary Coded Decimal, BCD）和压缩编码（如Gray编码）等。编码后的二进制数据可以通过数字信号处理器、微控制器或其他数字系统进行进一步的处理和分析。

4. 分辨率与精度：AD转换器的分辨率决定了可以表示的离散级别的数量。分辨率越高，表示能力越精细，可以提供更准确的数字表示。精度是指AD转换器输出数据与实际模拟信号的接近程度。精度受到采样误差、量化误差、非线性误差等因素的影响。

5. 参考电压：AD转换器通常需要一个参考电压作为基准。参考电压的准确性和稳定性对AD转换的精度和性能具有重要影响。可以使用稳定的参考电压源或外部参考电压来提高AD转换的准确性。

6. 转换速率：转换速率是AD转换器每秒钟可以执行的转换次数。它取决于转换器的性能和所使用的转换算法。高转换速率对于需要实时采样、实时控制或高频率信号处理的应用非常重要。

## 五、单片机实现 ##

### 51单片机实现： ###

#include <reg51.h>
    
    void delay(unsigned int time) {
      unsigned int i, j;
      for(i = 0; i < time; i++)
        for(j = 0; j < 10; j++);
    }
    
    void main() {
      unsigned int result;
      P1 = 0xFF;  // 设置P1端口为输入模式
    
      while(1) {
        ADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_START | ADC_SPEEDLL;
        delay(50);  // 等待ADC转换完成
        result = ADC_RES * 256 + ADC_RESL;  // 获取AD转换结果
        P2 = result;  // 将结果显示在P2端口
      }
    }

### STM32实现： ###

#include "stm32f10x.h"
    
    void ADC1_Init() {
      ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
      GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    
      RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
      // 配置GPIO为模拟输入
      GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
      GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
      GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
      // 配置ADC1
      ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
      ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
      ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
      ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
      ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
      ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;
      ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStruct);
    
      // 配置ADC1 Regular通道0为55.5个采样周期
      ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
    
      ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    }
    
    uint16_t ADC1_Read() {
      ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
      ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
      while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC));
      return ADC_GetConversionValue(ADC1);
    }
    
    int main() {
      uint16_t result;
      ADC1_Init();
    
      while(1) {
        result = ADC1_Read();
        // 在这里进行你的处理操作
        // ...
      }
    }

## 总结： ##

AD/DA转换技术在数字电子领域中起着重要作用，允许模拟和数字信号之间的相互转换。AD转换将模拟信号转换为数字信号，而DA转换将数字信号转换为模拟信号。它们被广泛应用于音频、通信、控制系统、医疗设备、工业自动化、汽车电子、视频处理、测量与仪器以及军事航天领域等各个领域。AD/DA转换器的性能和精度对于保持信号完整性和准确性非常重要，并且随着技术的进步不断提升。通过AD/DA转换技术，我们能够更好地处理和处理模拟和数字信息，推动现代电子设备的发展和创新。