单片机ADC与DAC技术详解：模拟与数字世界的转换，感知物理世界的窗口

# 1. 单片机ADC与DAC概述**

单片机中的ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）是两个重要的外设模块，它们负责在模拟信号和数字信号之间进行转换。ADC将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，而DAC则将数字信号转换为连续的模拟信号。

ADC和DAC在单片机系统中扮演着至关重要的角色。它们使单片机能够与模拟世界进行交互，例如采集传感器数据、控制执行器和生成音频信号。在嵌入式系统中，ADC和DAC广泛应用于工业控制、医疗设备和消费电子产品等领域。

# 2. 模拟信号采集与数字化

### 2.1 ADC的基本原理

#### 2.1.1 模数转换过程

模数转换器（ADC）将模拟信号（连续时间、连续幅度）转换为数字信号（离散时间、离散幅度）。转换过程涉及以下步骤：

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。采样频率决定了信号的最高可分辨频率。
2. **保持：**在采样时刻，采样值被保持在保持电容中，以等待转换。
3. **量化：**保持值与一组参考电压进行比较，并将其离散化为有限个数字值。量化过程引入量化误差。
4. **编码：**量化值转换为数字代码，表示模拟信号的幅度。

#### 2.1.2 ADC的类型和特点

ADC的类型包括：

* **逐次逼近型ADC（SAR ADC）：**通过逐次比较和逼近的方式进行转换，精度高，转换速度慢。
* **积分型ADC（Integrating ADC）：**将模拟信号积分一段时间，然后测量积分值，精度高，转换速度慢。
* **Σ-Δ型ADC（Sigma-Delta ADC）：**使用过采样和数字滤波技术，精度高，转换速度快。

ADC的特点包括：

* **分辨率：**表示ADC可分辨的最小模拟信号幅度，单位为位（bit）。
* **采样率：**表示ADC每秒进行采样的次数，单位为赫兹（Hz）。
* **量化误差：**表示ADC转换过程中引入的误差，与分辨率和采样率有关。

### 2.2 单片机ADC模块的结构和功能

#### 2.2.1 ADC模块的寄存器配置

单片机ADC模块通常包含多个寄存器，用于配置ADC的工作模式和参数。主要寄存器包括：

* **ADC控制寄存器（ADCCON）：**配置ADC的采样模式、采样率、参考电压等参数。
* **ADC数据寄存器（ADCDATA）：**存储ADC转换后的数字数据。
* **ADC状态寄存器（ADCSTAT）：**指示ADC的当前状态，如转换完成标志。

#### 2.2.2 ADC采样和转换流程

ADC采样和转换流程如下：

1. 配置ADC寄存器，设置采样模式、采样率等参数。
2. 启动ADC采样，ADC开始对模拟信号进行采样。
3. 等待ADC转换完成，ADC状态寄存器中的转换完成标志置位。
4. 读取ADC数据寄存器，获取转换后的数字数据。

### 2.3 ADC应用实例

#### 2.3.1 电压采集

ADC可用于采集模拟电压信号，例如：

// 配置ADC寄存器
ADCCON = 0x01; // 启用ADC，采样模式为连续采样

// 启动ADC采样
ADCCON |= 0x04; // 启动ADC转换

// 等待ADC转换完成
while (!(ADCSTAT & 0x01)); // 循环等待转换完成标志置位

// 读取ADC数据
voltage = ADCDATA; // 获取转换后的数字数据

#### 2.3.2 温度采集

ADC还可用于采集温度信号，通过测量热敏电阻的阻值变化来推算温度：

// 配置ADC寄存器
ADCCON = 0x01; // 启用ADC，采样模式为连续采样

// 启动ADC采样
ADCCON |= 0x04; // 启动ADC转换

// 等待ADC转换完成
while (!(ADCSTAT & 0x01)); // 循环等待转换完成标志置位

// 读取ADC数据
adcValue = ADCDATA; // 获取转换后的数字数据

// 计算温度
temperature = (adcValue * VREF) / (1023 * RTH); // 根据ADC值计算温度

其中：

* `VREF`为ADC参考电压
* `RTH`为热敏电阻的阻值

# 3. 数字信号输出与模拟化

### 3.1 DAC的基本原理

#### 3.1.1 数模转换过程

数模转换（DAC）是一种将数字信号转换为模拟信号的过程。与ADC相反，DAC将数字输入转换为模拟输出。数模转换过程如下：

1. **数字输入：**DAC接收一个数字输入信号，该信号表示要转换的模拟值。
2. **内部加权：**DAC内部有一个加权电阻网络，其中每个电阻的值与相应的数字输入位成比例。
3. **电流转换：**根据数字输入信号，DAC将每个电阻上的电流分配到相应的加权电阻上。
4. **电流求和：**所有加权电阻上的电流求和，形成一个模拟输出电流。
5. **电压输出：**模拟输出电流通过一个输出电阻转换为模拟电压输出。

#### 3.1.2 DAC的类型和特点

DAC有不同的类型，每种类型都有其独特的特点：

| DAC类型 | 特点 |
|---|---|
| 电阻型DAC | 低成本、低精度 |
| 电流型DAC | 高精度、高速度 |
| 电压型DAC | 高输出阻抗、低精度 |
| Σ-Δ型DAC | 高精度、低功耗 |

### 3.2 单片机DAC模块的结构和功能

#### 3.2.1 DAC模块的寄存器配置

单片机DAC模块通常包含多个寄存器，用于配置和控制DAC的操作。常见的寄存器包括：

- **DAC控制寄存器：**控制DAC的使能、参考电压和输出模式。
- **DAC数据寄存器：**存储要转换的数字数据。
- **DAC状态寄存器：**指示DAC的当前状态，例如转换完成标志。

#### 3.2.2 DAC输出和控制流程

DAC模块的输出和控制流程通常如下：

1. **初始化：**配置DAC模块的寄存器，设置参考电压、输出模式等。
2. **数据写入：**将要转换的数字数据写入DAC数据寄存器。
3. **转换启动：**启动DAC转换，将数字