理解ADC与DAC基础：采样、奈奎斯特准则与关键应用

ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）是电子工程师在设计和理解数字信号处理系统时的基础组件。本篇文章主要介绍了ADC和DAC的基本原理及其在实际应用中的作用，特别是针对初学者而言。 首先，采样是数字信号处理的核心概念。奈奎斯特采样准则阐述了采样频率与模拟信号带宽之间的关系，即采样频率（fs）至少应是信号最高频率（f_max）的两倍（fs ≥ 2f_max），以确保不失真地恢复原始信号。这个准则被称为奈奎斯特极限，图2-2直观地展示了这一原则，即采样频率越高，信号重构的精度就越高，但同时成本和复杂度也随之增加。 在实际的ADC中，模拟信号通常需要经过预处理，如放大、衰减和滤波，以去除不需要的信号并防止混叠现象。低通或带通滤波器在此阶段扮演重要角色，确保信号质量的同时，符合奈奎斯特条件。一个典型的采样数据系统如图2-1所示，其中实时系统要求DSP（数字信号处理器）在每个采样间隔内完成必要的计算，并在新样本到来前输出到DAC。 在某些应用中，如语音和视频处理，信号需要从数字格式转换回模拟信号，这就需要用到DAC。然而，大多数情况下，数字信号在经过一次转换后可能会保持其数字形式，由DSP进行后续处理，而无需再次通过DAC。在采用DAC时，抗镜像滤波器必不可少，以消除可能的镜像频率干扰。 ADC和DAC工作涉及两个关键概念：离散时间采样和量化引起的有限振幅分辨率。离散时间采样意味着模拟信号被定期截取为一系列离散值，这些值决定了信号的数字化程度。量化则是将这些连续的模拟值映射到有限数量的数字代码，导致信号精度受限于分辨率。理解这两个概念对于设计高效、准确的数字信号处理系统至关重要。 总结来说，ADC和DAC基础涵盖了信号采样、奈奎斯特准则、预处理电路、实时系统要求、数字信号的存储与处理，以及量化与分辨率的影响。掌握这些基础知识对于电子工程师在设计音频、通信、测量和其他各种数字信号处理系统时至关重要。