儀器為什么一般會(huì)有設(shè)定值和回讀值，如我們理解電源需要輸出多少電壓我們就設(shè)定多少，測試電壓結(jié)果會(huì)在儀器主界面顯示出來，那儀器的設(shè)定值是怎么轉(zhuǎn)化為實(shí)際電信號(hào)控制儀器工作，回讀值我們又是怎么得到的呢?本篇文章，小智將會(huì)為大家解讀一下這個(gè)問題，希望對您有所幫助。

其實(shí)，儀器上的設(shè)定值和回讀值跟我們常說的模數(shù)轉(zhuǎn)換(Analog Digital Converter，ADC)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(Digital Analog Convert，DAC)有關(guān)。在這之前，我們先來了解一下什么是模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

丨模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)

模擬信號(hào)可以理解成是現(xiàn)實(shí)世界的物理量，但是這些物理量是電信號(hào)。比如說無線電信號(hào)等，模擬信號(hào)的特點(diǎn)是時(shí)間連續(xù)、幅值連續(xù)。它的優(yōu)點(diǎn)是直觀，易于實(shí)現(xiàn)。但是它也存在一些缺點(diǎn)，例如容易受到各種噪聲的干擾，如果要對模擬信號(hào)進(jìn)行處理還需要設(shè)計(jì)各種電路，會(huì)比較麻煩。

數(shù)字信號(hào)是對模擬信號(hào)進(jìn)行采樣處理后的信號(hào)，特點(diǎn)是時(shí)間離散，幅值離散。數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)就是為了彌補(bǔ)模擬信號(hào)的缺點(diǎn)，例如數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，易存儲(chǔ)，方便做各種運(yùn)算。

由于現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)幾乎已經(jīng)占領(lǐng)了各個(gè)領(lǐng)域，因此這些領(lǐng)域?qū)π盘?hào)的處理都要轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能看得懂的信號(hào)，然后再交給計(jì)算機(jī)來處理，這些計(jì)算機(jī)能看懂的信號(hào)就是數(shù)字信號(hào)。那么將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)需要一種器件，它叫做模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。以此類推，既然ADC是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，那么也還有一種器件能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，它叫數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)。

ADC和DAC的作用如圖所示(ADC和DAC有時(shí)候也簡寫成A/D和D/A)

丨ADC和DAC原理簡介

一、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC

1.四個(gè)基本部分

①采樣：定時(shí)對連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行測量得到的瞬時(shí)值。

②保持：采樣結(jié)束后將得到信號(hào)保持一段時(shí)間，使ADC有充分時(shí)間進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換。一般采樣脈沖頻率越高、采樣越密，采樣值就越多，采樣保持電路的輸出信號(hào)就越接近輸入信號(hào)的波形。對采樣頻率要求(滿足采樣定理)：采樣頻率Fs >= 2*輸入模擬信號(hào)頻譜中最高頻率Fmax。

③量化：將采樣電壓轉(zhuǎn)換為某個(gè)最小單位電壓的整數(shù)倍。

④編碼：用二進(jìn)制代碼表示量化后的量化電平。

量化級越細(xì)，量化誤差越小，所用二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多，電路也越復(fù)雜分類。

2.分類

①積分型：將輸入電壓轉(zhuǎn)換成脈沖寬度信號(hào)或脈沖頻率，使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲取數(shù)字值。

優(yōu)點(diǎn)：電路簡單、分辨率高。

缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，轉(zhuǎn)換速率較低。

②逐次比較型：由一個(gè)比較器和DAC轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從最高位開始順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DAC轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過n次比較來輸出數(shù)字值。

這個(gè)類型的ADC可以看作使用快速逼近-快速排序的方法來讓DAC輸出值靠近模擬值來實(shí)現(xiàn)ADC。

優(yōu)點(diǎn)：速度高，功耗低，在低分辨率(12位)式具有性價(jià)比優(yōu)勢。

缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速率一般，電路規(guī)模中等。

③Σ-Δ調(diào)制型：使用積分器、比較器、1位DAC轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等構(gòu)成，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成脈沖寬度信號(hào)，使用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。

優(yōu)點(diǎn)：可以容易地做到高分辨率測量。

缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速率低、電路規(guī)模大。

3.主要參數(shù)

①分辨率：輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)值所需輸入模擬電壓的變化量，一般用二進(jìn)制的位數(shù)表示，分辨率為n表示是滿刻度Fs的2的n次方分之一。

②量化誤差：ADC的有限位數(shù)對模擬量進(jìn)行量化而引起的誤差。要準(zhǔn)確表示模擬量，ADC的位數(shù)需要很大甚至無窮大，所以ADC器件都有量化誤差。一個(gè)分辨率有限的ADC的階梯狀轉(zhuǎn)換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉(zhuǎn)化特性曲線之間的最大偏差就是量化誤差。

③轉(zhuǎn)換速率：每秒進(jìn)行轉(zhuǎn)換的次數(shù)。

④轉(zhuǎn)換量程：ADC所能測量的最大電壓，一般等于參考電壓，超過此電壓有可能損毀ADC。當(dāng)信號(hào)較小時(shí)可以考慮降低參考電壓來提高分辨率，改變參考電壓后，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值也會(huì)改變，計(jì)算實(shí)際電壓時(shí)需要將參考電壓考慮進(jìn)去，所以說一般參考電壓都要做到很穩(wěn)定且不帶有高次諧波。

⑤偏移誤差：ADC輸入信號(hào)為0時(shí)，但ADC轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)不為0的值。

⑥滿刻度誤差：ADC滿刻度輸出時(shí)對應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。

⑦線性度：實(shí)際ADC的轉(zhuǎn)移函數(shù)和理想直線的最大偏移。

二、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC

1.基本結(jié)構(gòu)

①數(shù)字寄存器：寄存輸入的數(shù)字量和控制信號(hào)。

②模擬開關(guān)和轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)：轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)一般由一列電阻構(gòu)成，模擬開關(guān)和對應(yīng)的電阻按位加權(quán)。

③參考電壓源：用于確定轉(zhuǎn)換系數(shù)。

④求和放大器：對來自轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的模擬量進(jìn)行相加。

2.分類

①電壓輸出型：從電阻網(wǎng)絡(luò)直接輸出電壓，通常會(huì)在輸出端加放大器來降低輸出阻抗。

②在輸出端不加放大器的電壓輸出型：減少輸出端部分的延遲，常用于高速場合。

③電流輸出型：一般很少直接利用電流輸出，大多數(shù)會(huì)外接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出。

根據(jù)如何進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換又分成兩類：

●在輸出引腳上接負(fù)載電阻

缺點(diǎn)：輸出阻抗高、必須在規(guī)定的輸出電流范圍內(nèi)使用，否則可能損壞DAC。

●外接運(yùn)算放大器

缺點(diǎn)：加入了外接運(yùn)放和導(dǎo)線的延遲，響應(yīng)變慢。

電流輸出型很少用，一般使用電壓輸出型。

3.主要參數(shù)

①分辨率：最小輸出電壓(也就是輸入數(shù)字量為1時(shí)的電壓)與最大輸出電壓(也就是輸入數(shù)字量為最大(每一位都是1)時(shí)的電壓)之比。一般通過輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示。

②轉(zhuǎn)換量程：DAC能輸出的最大電壓，一般的關(guān)于參考電壓或其倍數(shù)。

③建立時(shí)間：從輸入數(shù)字量到輸出模擬量之間的延時(shí)時(shí)間。

④轉(zhuǎn)換精度：與ADC的轉(zhuǎn)換精度類似。

丨結(jié)語

目前的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)都是圍繞著單片機(jī)和FPGA這種核心處理器來開發(fā)，而這兩者都是數(shù)字芯片，它們處理的信號(hào)都是數(shù)字量。

而通常情況下的嵌入式系統(tǒng)都是為了解決某一個(gè)專用問題而設(shè)計(jì)的，比如說測溫槍，它需要將人體溫度這個(gè)物理信號(hào)轉(zhuǎn)成換電壓形式的數(shù)字信號(hào)交給核心控制器件來處理才可以，因此需要ADC來做這種物理信號(hào)到電形式的數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)說是需要一個(gè)傳感器將溫度的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓形式的模擬信號(hào)，然后再需要ADC把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

同樣DAC的作用也是相似的，當(dāng)核心處理器需要驅(qū)動(dòng)實(shí)際的物理設(shè)備的時(shí)候，需要將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，因?yàn)閷?shí)際的物理設(shè)備只能看懂模擬信號(hào)， DAC就負(fù)責(zé)完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

測試儀器也是類似原理，如直流電源將主界面電壓設(shè)定值(數(shù)字信號(hào))通過一系列DAC核心控制處理轉(zhuǎn)換成實(shí)際電壓模擬量輸出，電壓回讀值則是通過ADC采樣將輸出電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)顯示在主界面。

審核編輯：湯梓紅