單片機怎么與模擬信號“交流”

我們都知道單片機只能識別0或1兩種數字信號，但是現實世界所有的存在都以具體的模擬量為主，比如電壓，電流，氣壓，質量等等，那單片機要怎么才能和這些信號打交道呢？要是沒有“交流”那電子世界不就會亂套了，那可能比哥倫布剛發現印第安人那刻還亂吧。

是不是就必須得有工具來“翻譯”這些信息了，這里就不得不利用數模轉換功能了，學了電子技術基礎的朋友應該都有印象吧。它們就像單片機與外界信息交流的翻譯官。

我們做項目開發時基本都會用到數模轉換（A/D、D/A），尤其是A/D單元，幾乎是項目必用的。所以它們的地位還是很重要的，基礎版的51單片機內部是沒有集成這些單元的，所以課本上介紹這些知識時都會使用外接芯片來講解，但是現在新出的芯片幾乎都是內部集成數模轉換功能，只要對著手冊在程序中設置一下引腳功能就可以進行操作了。

所以之前的內容中我一直沒介紹外接數模轉換芯片這一塊的知識，現在來介紹這一部分內容也是比較尷尬的事，畢竟介紹再多工作中用到的概率不大。所以今天就寫些一看就懂的內容，書本上有的電路，程序就不舉例說明了。

A/D和D/A轉換模型分類都比較多，這些細節可以參考相關書籍做了解。反正說白了，數模轉換原理是簡單的，普通的模塊也是廉價的，不然現在的MCU也不會集成它。但是高性能的數模轉換芯片國內現在是欠缺的，這就影響了國內工業在很多高精行業芯片不得不依靠進口。長江后浪推前浪，但愿這些可以早日突破吧。

A/D轉換基礎

A/D變換就是將模擬信號轉換為數字信號傳入給單片機，通常用于單片機采集各類信號，最終都會以檢測電壓的形式體現出來，轉換過程通常包含采樣、量化和編碼3個步驟。

A/D轉換步驟

采樣是將連續的模擬信號變成不連續的模擬信號，就像控制一個快速開關，開關定時開啟閉合過程，一個連續的模擬信號就形成一系列的脈沖信號，稱為采樣信號。

在理想數據采集系統中，只要滿足采樣定理——采樣頻率不小于被采集信號最高頻率的2倍（即fs ≥2fmax ），則采樣輸出信號就可以無失真的重現原輸入信號，而在實際應用中通常會設置更高的采樣頻率，當然采樣頻率越高，計算量就越大，對芯片的處理能力要求就越高。

比如我們測試心率，胎兒到大人每分鐘心率從四五十到兩百多都有可能。即每秒最多4次，那我們的采樣頻率是不是設置8Hz就能測出心率了呢？當然不是這樣的，即使是80hz也不一定能測出準確的數據，實際開發中我們得設置幾百Hz甚至上千Hz的采樣頻率。

量化過程是將模擬信號變成數字信號的過程，輸入信號的幅值變化就與實際的數值對應起來，完成了從模擬到數字的變換；量化過程也會引入誤差，增加采樣頻率和幅值的表示位數可以減少誤差。將量化過程得到的量化值進行二進制編碼，對相同范圍的模擬量，編碼位數越多，量化誤差越小。

轉換過程

D/A轉換基礎

與A/D轉換相反，D/A轉換就是使用單片機輸出模擬信號，和A/D一樣也是有轉換精度的，最常見的應用就是波形發生器，汽車，儀表類行業對這個要求會比較高。

并行D/A轉換原理

正如圖中所畫，D/A轉換時恰好和A/D轉換相反，內部由多個按一定規律設計的阻電阻網絡的控制開關，通過比較器逐級比較從而輸出與設計值最接近的模擬量。