单片机C语言ADC与DAC：10个深入理解模拟信号的采集与输出的实战案例

# 1. 单片机C语言模拟信号处理概述

单片机C语言模拟信号处理是一种利用单片机对模拟信号进行采集、处理和输出的技术。它广泛应用于工业控制、医疗设备和消费电子等领域。

模拟信号是连续变化的电信号，而单片机只能处理数字信号。因此，需要使用模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号，再由单片机进行处理。处理后的数字信号可以通过数模转换器（DAC）转换为模拟信号输出。

单片机C语言模拟信号处理具有以下优点：

* **灵活性和可编程性：**C语言是一种高级编程语言，具有很强的灵活性和可编程性，可以实现各种复杂的模拟信号处理算法。
* **成本低廉：**单片机是一种低成本的微控制器，可以满足大多数模拟信号处理应用的需求。
* **体积小巧：**单片机体积小巧，可以集成在各种嵌入式系统中。

# 2. 单片机ADC原理与编程实践

### 2.1 ADC的基本原理和采样定理

#### 2.1.1 ADC的量化和采样过程

模数转换器（ADC）是一种将模拟信号（连续信号）转换为数字信号（离散信号）的电子器件。ADC的量化过程包括两个步骤：

1. **采样：**ADC定期对模拟信号进行采样，将连续信号转换为离散时间信号。采样速率由ADC的采样频率决定，单位为赫兹（Hz）。
2. **量化：**ADC将采样后的模拟信号值转换为有限精度的数字值。量化精度由ADC的分辨率决定，单位为位（bit）。

#### 2.1.2 奈奎斯特采样定理

奈奎斯特采样定理规定，为了避免混叠（采样后信号的失真），采样频率必须至少是模拟信号最高频率的两倍。即：

f_s >= 2 * f_max

其中：

* `f_s` 为采样频率
* `f_max` 为模拟信号的最高频率

### 2.2 单片机ADC的硬件结构和寄存器

#### 2.2.1 ADC的内部结构和工作原理

单片机ADC通常包含以下主要模块：

* **采样保持电路：**将模拟信号保持在采样时刻的值。
* **量化器：**将采样后的模拟信号值转换为数字值。
* **控制逻辑：**控制ADC的采样、量化和数据传输过程。

ADC的工作原理如下：

1. 采样保持电路对模拟信号进行采样。
2. 量化器将采样后的模拟信号值转换为数字值。
3. 控制逻辑将转换后的数字值存储在ADC的寄存器中。

#### 2.2.2 ADC的寄存器配置和操作

单片机ADC通常具有以下寄存器：

* **ADC控制寄存器：**配置ADC的采样频率、量化精度等参数。
* **ADC数据寄存器：**存储转换后的数字值。
* **ADC状态寄存器：**指示ADC的当前状态，例如转换是否完成。

### 2.3 单片机ADC编程实例

#### 2.3.1 ADC初始化和配置

// ADC初始化和配置
void ADC_Init(void)
{
    // 设置ADC时钟源为内部时钟
    ADC_ClockSourceConfig(ADC_CLOCKSOURCE_INTERNAL);
    // 设置ADC采样频率为100kHz
    ADC_SampleTimeConfig(ADC_CHANNEL_0, ADC_SAMPLETIME_100CYCLES);
    // 设置ADC量化精度为12位
    ADC_ResolutionConfig(ADC_RESOLUTION_12B);
    // 使能ADC
    ADC_Cmd(ENABLE);
}

#### 2.3.2 ADC数据采集和处理

// ADC数据采集和处理
uint16_t ADC_Read(uint8_t channel)
{
    // 启动ADC转换
    ADC_SoftwareStartConvCmd(channel, ENABLE);
    // 等待ADC转换完成
    while(!ADC_GetFlagStatus(ADC_FLAG_EOC));
    // 读取ADC转换结果
    return ADC_GetConversionValue(channel);
}

# 3. 单片机DAC原理与编程实践

### 3.1 DAC的基本原理和工作模式

#### 3.1.1 DAC的量化和输出过程

数字模拟转换器（DAC）是一种将数字信号转换为模拟信号的电子设备。DAC的量化过程涉及将输入的数字信号离散化为一系列离散的电压或电流值。

采样定理规定，为了准确地重建模拟信号，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍。DAC通过将数字信号以高于奈奎斯特采样率的速率采样，确保输出信号的保真度。

#### 3.1.2 DAC的工作模式和选择

DAC有两种主要的工作模式：

- **电压输出模式：**DAC输出模拟电压信号。
- **电流输出模式：**DAC输出模拟电流信号。

工作模式的选择取决于应用需求。电压输出模式通常用于驱动电阻性负载，而电流输出模式用于驱动电感性或容性负载。

### 3.2 单片机DAC的硬件结构和寄存器

#### 3.2.1 DAC的内部结构和工作