单片机程序设计中的模拟与数字转换：跨越模拟与数字的鸿沟，感知世界

# 1. 模拟与数字转换概述

模拟与数字转换（ADC）是一种将模拟信号（连续变化的信号）转换为数字信号（离散化的信号）的过程。相反，数模转换（DAC）是将数字信号转换为模拟信号的过程。模拟与数字转换在现代电子系统中至关重要，因为它使我们能够处理和存储模拟世界中的信息。

模拟与数字转换技术广泛应用于各种领域，包括数据采集、控制系统、通信和医疗保健。在这些应用中，ADC用于将传感器信号、音频信号和其他模拟信号转换为数字形式，以便计算机或其他数字设备可以处理和分析。DAC用于将数字信号转换为模拟信号，以便它们可以驱动执行器、显示器或其他模拟设备。

# 2. 模拟与数字转换技术

模拟与数字转换技术是将模拟信号转换为数字信号或将数字信号转换为模拟信号的过程。模拟信号是连续变化的信号，而数字信号是离散的、量化的信号。模拟与数字转换技术在电子系统中广泛应用，例如数据采集、信号处理、通信和控制。

### 2.1 模数转换（ADC）

模数转换器（ADC）将模拟信号转换为数字信号。ADC的工作原理是将模拟信号采样并量化，从而得到一个数字值。采样是指以一定的频率对模拟信号进行采样，量化是指将采样后的模拟值转换为一个有限的数字值。

ADC的性能指标包括采样速率、分辨率、精度和信噪比（SNR）。采样速率是指ADC每秒采样的次数，分辨率是指ADC能够分辨的最小模拟信号变化量，精度是指ADC输出数字值与实际模拟信号值的接近程度，信噪比是指ADC输出数字信号中信号功率与噪声功率的比值。

### 2.1.1 ADC的工作原理

ADC的工作原理如下图所示：

graph LR
subgraph ADC工作原理
    模拟信号 --> 采样器 --> 量化器 --> 数字信号
end

采样器将模拟信号以一定的频率采样，得到一系列离散的模拟值。量化器将采样后的模拟值转换为一个有限的数字值。数字信号就是量化后的模拟值序列。

### 2.1.2 ADC的类型和性能指标

ADC的类型有很多，常见的有：

- **逐次逼近型ADC（SAR ADC）：**逐次逼近型ADC通过逐次比较模拟信号与参考电压，得到一个数字值。SAR ADC具有较高的分辨率和精度，但采样速率较低。
- **流水线型ADC（Pipeline ADC）：**流水线型ADC将ADC过程分成多个阶段，每个阶段完成一部分的转换。流水线型ADC具有较高的采样速率，但分辨率和精度较低。
- **Σ-Δ型ADC：**Σ-Δ型ADC通过对模拟信号进行过采样和积分，得到一个数字值。Σ-Δ型ADC具有较高的分辨率和信噪比，但采样速率较低。

ADC的性能指标包括：

- **采样速率：**ADC每秒采样的次数，单位为采样/秒（SPS）。
- **分辨率：**ADC能够分辨的最小模拟信号变化量，单位为位