單片機的輸入/輸出數據是數字量，可是進入外設的量或者從外設輸入的量不一定是數字量，而是模擬量。那麼如何讓數字量和模擬量在單片機與外設之間自由傳輸？於是，ADC/DAC粉墨登場。今天，就請各位看官和小編一起了解一下ADC和DAC。
1.產生原因
隨著現代科學技術的迅猛發展,特別是數字系統已廣泛應用於各種學科領域及日常生活,微型計算機就是一個典型的數學系統。但是數字系統只能對輸入的數字信號進行處理,其輸出信號也是數字信號。而在工業檢測控制和生活中的許多物理量都是連續變化的模擬量,如溫度、壓力、流量、速度等,這些模擬量可以通過傳感器或 換能器變成與之對應的電壓、電流或頻率等電模擬量。為了實現數字系統對這些模擬量進行檢測、運算和控制,就需要一個模擬量與數字量之間的相互轉換的過程。即常常需要將模擬量轉換成數字量,簡稱為AD轉換,完成這種轉換的電路稱為模數轉換器(Analog to Digital Converter) ,簡稱ADC;或將數字量轉換成模擬量,簡稱DA轉換,完成這種轉換的電路稱為數模轉換器(Digital to Analog Converter) ,簡稱DAC。
2.ADC的基本原理及特點
模擬信號轉換為數字信號,一般分為四個步驟進行,即取樣、保持、量化和編碼。前兩個步驟在取樣-保持電路中完成,後兩步驟則在ADC中完成。
常用的ADC有積分型、逐次逼近型、並行比較型/串並行型、Σ -Δ調製型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點:
（1）積分型(如TLC7135) 。積分型ADC工作原理是將輸入電壓轉換成時間或頻率,然後由定時器/計數器獲得數字值。其優點是用簡單電路就能獲得高分辨率,但缺點是由於轉換精度依賴 於積分時間,因此轉換速率極低。初期的單片ADC大多采用積分型,現在逐次比較型已逐步成為主流。雙積分是一種常用的AD轉換技術,具有精度高,抗干擾能力強等優點。但高精度的雙積分AD芯片,價格較貴,增加了單片機系統的成本。
圖為TLC7135外觀
圖為TLC7135內部結構
（2）逐次逼近型(如TLC0831) 。逐次逼近型AD由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成,從MSB開始,順序地對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進行比較,經n次比較而輸 出數字值。其電路規模屬於中等。其優點是速度較高、功耗低,在低分辨率( < 12位)時價格便宜,但高精度( > 12位)時價格很高。
（3）並行比較型/串並行比較型(如TLC5510) 。並行比較型AD採用多個比較器,僅作一次比較而實行轉換,又稱Flash型。由於轉換速率極高, n位的轉換需要2n - 1個比較器,因此電路規模也極大,價格也高,只適用於視頻AD 轉換器等速度特別高的領域。串並行比較型AD結構上介於並行型和逐次比較型之間,最典型的是由2個n /2位的並行型AD轉換器配合DA轉換器組成,用兩次比較實行轉換,所以稱為Half flash型。
圖為TLC5510內部結構和工作時序
（4）Σ-Δ調製型(如AD7701) 。Σ- Δ型ADC以很低的採樣分辨率( 1位)和很高的採樣速率將模擬信號數字化,通過使用過採樣、噪聲整形和數字濾波等方法增加有效分辨率,然後對ADC輸出進行採樣抽取處理以降低有效採樣速 率。Σ-Δ型ADC的電路結構是由非常簡單的模擬電路和十分複雜的數字信號處理電路構成。
（5）電容陣列逐次比較型。電容陣列逐次比較型AD在內置DA轉換器中採用電容矩陣方式,也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉換器中多數電阻的值必須一 致,在單芯片上生成高精度的電阻並不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列,可以用低廉成本製成高精度單片AD轉換器。最近的逐次比較型AD轉換器大多為電容 陣列式的。
6 壓頻變換型(如AD650) 。壓頻變換型是通過間接轉換方式實現模數轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率,然後用計數器將頻率轉換成數字量。從理論上講這種AD的分辨率 幾乎可以無限增加,只要採樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈衝個數的寬度。其優點是分辨率高、功耗低、價格低,但是需要外部計數電路共同完成 AD轉換。
下期，我們將就DAC（數字-模擬轉換器）的具體知識展開探討。敬請期待。
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