ADC与DAC基础入门：采样原理与奈奎斯特准则

ADC（模拟到数字转换器）和DAC（数字到模拟转换器）是电子工程中至关重要的组成部分，特别是在嵌入式硬件系统中。本文由Walt Kester和James Bryant，两位来自美国模拟器件公司（ADI）的作者撰写，旨在提供ADC和DAC的基础知识，共分为五个部分，其中第一部分深入讲解了采样理论和奈奎斯特采样准则。 采样是模拟信号数字化过程中的核心步骤，它涉及将连续的模拟信号按照一定的时间间隔（ts = 1/fs）转换为离散的数据点。选择合适的采样频率fs至关重要，因为奈奎斯特采样定理指出，采样率必须至少是模拟信号最高频率（fmax）的两倍，即fs ≥ 2fmax，以避免信息丢失和混叠现象。如果采样率低于这个阈值，可能导致信号失真或无法准确重建。 在实际应用中，模拟信号通常会经过预处理，如放大、衰减和滤波，以去除不需要的信号并保护信号免受混叠干扰。对于实时系统，如图2-1所示的采样数据DSP系统，采样率必须与处理速度匹配，确保在每个采样间隔内完成必要的计算，并在新样本到达前准备好输出。 FFT（快速傅里叶变换）在数字信号处理中扮演着重要角色，尤其是在频域分析中。FFT要求在数据传输到内存的同时进行计算，以保持实时性。而在某些情况下，如音频或视频处理，输出可能需要通过DAC转换回模拟信号，这时需要配合抗镜像滤波器来消除不必要的频率成分。 在ADC和DAC的实际转换过程中，两个关键概念不容忽视：离散时间采样和量化引起的有限振幅分辨率。离散时间采样确保了模拟信号的数字化表示，而量化则决定了数字信号的精度，较高的量化位数意味着更高的精度，但也会占用更多的存储空间和处理能力。理解这些概念对于优化嵌入式硬件设计和实现高效的信号处理至关重要。 ADC和DAC的基础知识包括采样理论、奈奎斯特准则、信号预处理、实时系统的要求、数字信号处理技术以及量化和分辨率的影响。掌握这些内容有助于工程师在实际项目中高效地利用ADC和DAC，实现所需的功能并优化性能。