单片机ADC与DAC：模拟信号处理的深入理解

# 1. 单片机ADC与DAC概述**

单片机中的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）是用于处理模拟信号的关键组件。ADC将模拟信号（例如电压或电流）转换为数字信号，而DAC则将数字信号转换为模拟信号。这使得单片机能够与模拟世界进行交互，从而实现广泛的应用。

ADC和DAC的特性和应用因类型而异。例如，逐次逼近型ADC具有较高的精度，而Σ-Δ型ADC具有较低的功耗。电流输出型DAC适用于需要高电流驱动的应用，而电压输出型DAC则适用于需要高电压精度的应用。

了解ADC和DAC的原理和应用对于设计和开发基于单片机的模拟信号处理系统至关重要。本章将提供ADC和DAC的概述，包括其基本原理、类型和选择标准，为后续章节的深入探讨奠定基础。

# 2. ADC理论与实践

### 2.1 ADC的基本原理

**2.1.1 量化过程**

模数转换器（ADC）将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。量化过程是将模拟信号的连续值映射到有限数量的离散值。

量化过程涉及以下步骤：

1. **采样：**在特定时间间隔（采样周期）对模拟信号进行采样。
2. **保持：**将采样值保持在一定时间内，以进行转换。
3. **比较：**将保持的值与一系列参考电压进行比较。
4. **编码：**根据比较结果，将模拟值转换为数字代码。

**2.1.2 采样定理**

采样定理指出，为了准确重建模拟信号，采样频率必须至少是模拟信号最高频率的两倍。如果采样频率低于这个值，就会发生混叠，导致信号失真。

### 2.2 ADC的类型和选择

ADC有多种类型，每种类型都有其优点和缺点。选择合适的ADC取决于特定应用的要求。

**2.2.1 逐次逼近型ADC**

逐次逼近型ADC通过一系列比较来逐次逼近模拟值。这种类型的ADC具有高精度和分辨率，但转换速度较慢。

**2.2.2 Σ-Δ型ADC**

Σ-Δ型ADC使用过采样和噪声整形技术来实现高分辨率。这种类型的ADC具有较高的转换速度，但精度和分辨率较低。

### 2.3 ADC的实际应用

ADC在各种应用中至关重要，包括：

**2.3.1 传感器数据采集**

ADC用于从传感器（如温度传感器、压力传感器）采集模拟数据，并将其转换为数字信号进行处理。

**2.3.2 音频信号处理**

ADC用于将模拟音频信号（如麦克风信号）转换为数字信号，以便进行处理、存储和播放。

**代码块：**

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 模拟信号采样
sampling_rate = 1000  # Hz
duration = 1  # s
t = np.linspace(0, duration, sampling_rate * duration)
signal = np.sin(2 * np.pi * 100 * t)

# ADC量化
adc_resolution = 10  # 位
adc_values = np.round(signal / (2 ** adc_resolution))

# 可视化
plt.plot(t, signal, label="模拟信号")
plt.plot(t, adc_values, label="ADC量化信号")
plt.legend()
plt.show()

**逻辑分析：**

此代码演示了模拟信号的采样和量化过程。它使用NumPy库生成模拟正弦波信号，然后将其量化为10位ADC值。生成的信号和量化值在图表中可视化。

# 3. DAC理论与实践

### 3.1 DAC的基本原理

#### 3.1.1 数字信号到模拟信号的转换

DAC（数模转换器）是一种电子器件，用于将数字信号转换为模拟信号。其工作原理是将数字信号中的二进制位逐位转换成模拟电压或电流，从而产生与数字信号对应的连续模拟信号。

#### 3.1.2 DAC的精度和分辨率

DAC的精度和分辨率是衡量其性能的重要指标。精度是指DAC输出信号与输入数字信号之间的最大偏差，而分辨率是指DAC能够分辨的最小模拟电压或电流变化。

### 3.2 DAC的类型和选择

#### 3.2.1 电流输出型DAC

电流输出型DAC输出的是模拟电流，其优点是输出阻抗低，可以驱动各种负载。缺点是需要外部放大器将电流信号转换为电压信号。

#### 3.2.2 电压输出型DAC

电压输出型DAC输出的是模拟电压，其优点是无需外部放大器