儀器為什么一般會有設定值和回讀值，如我們理解電源需要輸出多少電壓我們就設定多少，測試電壓結果會在儀器主界面顯示出來，那儀器的設定值是怎么轉化為實際電信號控制儀器工作，回讀值我們又是怎么得到的呢?本篇文章，小智將會為大家解讀一下這個問題，希望對您有所幫助。

其實，儀器上的設定值和回讀值跟我們常說的模數轉換(Analog Digital Converter，ADC)和數模轉換(Digital Analog Convert，DAC)有關。在這之前，我們先來了解一下什么是模擬信號和數字信號。

丨模擬信號和數字信號

模擬信號可以理解成是現實世界的物理量，但是這些物理量是電信號。比如說無線電信號等，模擬信號的特點是時間連續、幅值連續。它的優點是直觀，易于實現。但是它也存在一些缺點，例如容易受到各種噪聲的干擾，如果要對模擬信號進行處理還需要設計各種電路，會比較麻煩。

數字信號是對模擬信號進行采樣處理后的信號，特點是時間離散，幅值離散。數字信號的優點就是為了彌補模擬信號的缺點，例如數字信號抗干擾能力強，易存儲，方便做各種運算。

由于現在的計算機幾乎已經占領了各個領域，因此這些領域對信號的處理都要轉換成計算機能看得懂的信號，然后再交給計算機來處理，這些計算機能看懂的信號就是數字信號。那么將模擬信號轉換成數字信號需要一種器件，它叫做模數轉換器(ADC)。以此類推，既然ADC是將模擬量轉換成數字量，那么也還有一種器件能把數字量轉換成模擬量，它叫數模轉換器(DAC)。

ADC和DAC的作用如圖所示(ADC和DAC有時候也簡寫成A/D和D/A)

丨ADC和DAC原理簡介

一、模數轉換ADC

1.四個基本部分

①采樣：定時對連續變化的模擬信號進行測量得到的瞬時值。

②保持：采樣結束后將得到信號保持一段時間，使ADC有充分時間進行ADC轉換。一般采樣脈沖頻率越高、采樣越密，采樣值就越多，采樣保持電路的輸出信號就越接近輸入信號的波形。對采樣頻率要求(滿足采樣定理)：采樣頻率Fs >= 2*輸入模擬信號頻譜中最高頻率Fmax。

③量化：將采樣電壓轉換為某個最小單位電壓的整數倍。

④編碼：用二進制代碼表示量化后的量化電平。

量化級越細，量化誤差越小，所用二進制代碼的位數就越多，電路也越復雜分類。

2.分類

①積分型：將輸入電壓轉換成脈沖寬度信號或脈沖頻率，使用定時器/計數器獲取數字值。

優點：電路簡單、分辨率高。

缺點：轉換精度依賴于積分時間，轉換速率較低。

②逐次比較型：由一個比較器和DAC轉換器通過逐次比較邏輯構成，從最高位開始順序地對每一位將輸入電壓與內置DAC轉換器的輸出進行比較，經過n次比較來輸出數字值。

這個類型的ADC可以看作使用快速逼近-快速排序的方法來讓DAC輸出值靠近模擬值來實現ADC。

優點：速度高，功耗低，在低分辨率(12位)式具有性價比優勢。

缺點：轉換速率一般，電路規模中等。

③Σ-Δ調制型：使用積分器、比較器、1位DAC轉換器和數字濾波器等構成，將輸入電壓轉換成脈沖寬度信號，使用數字濾波器處理后得到數字值。

優點：可以容易地做到高分辨率測量。

缺點：轉換速率低、電路規模大。

3.主要參數

①分辨率：輸出數字量變化一個相鄰數值所需輸入模擬電壓的變化量，一般用二進制的位數表示，分辨率為n表示是滿刻度Fs的2的n次方分之一。

②量化誤差：ADC的有限位數對模擬量進行量化而引起的誤差。要準確表示模擬量，ADC的位數需要很大甚至無窮大，所以ADC器件都有量化誤差。一個分辨率有限的ADC的階梯狀轉換特性曲線與具有無限分辨率的ADC轉化特性曲線之間的最大偏差就是量化誤差。

③轉換速率：每秒進行轉換的次數。

④轉換量程：ADC所能測量的最大電壓，一般等于參考電壓，超過此電壓有可能損毀ADC。當信號較小時可以考慮降低參考電壓來提高分辨率，改變參考電壓后，對應的轉換值也會改變，計算實際電壓時需要將參考電壓考慮進去，所以說一般參考電壓都要做到很穩定且不帶有高次諧波。

⑤偏移誤差：ADC輸入信號為0時，但ADC轉換輸出信號不為0的值。

⑥滿刻度誤差：ADC滿刻度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。

⑦線性度：實際ADC的轉移函數和理想直線的最大偏移。

二、數模轉換DAC

1.基本結構

①數字寄存器：寄存輸入的數字量和控制信號。

②模擬開關和轉換網絡：轉換網絡一般由一列電阻構成，模擬開關和對應的電阻按位加權。

③參考電壓源：用于確定轉換系數。

④求和放大器：對來自轉換網絡的模擬量進行相加。

2.分類

①電壓輸出型：從電阻網絡直接輸出電壓，通常會在輸出端加放大器來降低輸出阻抗。

②在輸出端不加放大器的電壓輸出型：減少輸出端部分的延遲，常用于高速場合。

③電流輸出型：一般很少直接利用電流輸出，大多數會外接電流-電壓轉換電路得到電壓輸出。

根據如何進行電流-電壓轉換又分成兩類：

●在輸出引腳上接負載電阻

缺點：輸出阻抗高、必須在規定的輸出電流范圍內使用，否則可能損壞DAC。

●外接運算放大器

缺點：加入了外接運放和導線的延遲，響應變慢。

電流輸出型很少用，一般使用電壓輸出型。

3.主要參數

①分辨率：最小輸出電壓(也就是輸入數字量為1時的電壓)與最大輸出電壓(也就是輸入數字量為最大(每一位都是1)時的電壓)之比。一般通過輸入數字量的位數來表示。

②轉換量程：DAC能輸出的最大電壓，一般的關于參考電壓或其倍數。

③建立時間：從輸入數字量到輸出模擬量之間的延時時間。

④轉換精度：與ADC的轉換精度類似。

丨結語

目前的嵌入式系統的開發都是圍繞著單片機和FPGA這種核心處理器來開發，而這兩者都是數字芯片，它們處理的信號都是數字量。

而通常情況下的嵌入式系統都是為了解決某一個專用問題而設計的，比如說測溫槍，它需要將人體溫度這個物理信號轉成換電壓形式的數字信號交給核心控制器件來處理才可以，因此需要ADC來做這種物理信號到電形式的數字信號的轉換，嚴謹一點說是需要一個傳感器將溫度的物理信號轉換成電壓形式的模擬信號，然后再需要ADC把模擬信號轉換成數字信號。

同樣DAC的作用也是相似的，當核心處理器需要驅動實際的物理設備的時候，需要將數字信號轉換成模擬信號，因為實際的物理設備只能看懂模擬信號， DAC就負責完成數字量到模擬量的轉換。

測試儀器也是類似原理，如直流電源將主界面電壓設定值(數字信號)通過一系列DAC核心控制處理轉換成實際電壓模擬量輸出，電壓回讀值則是通過ADC采樣將輸出電壓模擬量轉化為數字信號顯示在主界面。

審核編輯：湯梓紅