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打工人日报#20250918

news 2025/9/19 9:12:31

打工人日报#20250918

今天测试比较顺利，下班哈偶逛玄武湖

知识点

ADC（模拟数字转换器）

1.功能：

ADC 的主要功能是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。模拟信号在时间和幅度上都是连续的，例如来自传感器的电压、电流信号，像温度传感器输出与温度成正比的电压信号，声音传感器输出随声音变化的电信号等。而数字信号是在时间和幅度上都离散的信号，由二进制数字 “0” 和 “1” 组成。ADC 的作用就是把模拟信号的幅度信息按照一定的规则转化为对应的数字代码。

2.工作原理：

采样：在固定的时间间隔对模拟信号进行取值。就像每隔一段时间给模拟信号 “拍张照片”，记录下此刻模拟信号的瞬时值。采样频率决定了每秒采样的次数，根据奈奎斯特采样定理，为了能准确恢复原始模拟信号，采样频率必须至少是模拟信号最高频率的两倍。例如，要准确采样一个最高频率为 10kHz 的模拟信号，采样频率至少要达到 20kHz。
量化：将采样得到的模拟信号幅度值转化为有限个离散的数字值。由于数字信号只能表示有限个离散的电平，所以需要把采样值映射到这些离散电平上。例如，一个 8 位 ADC 可以表示 2^8 = 256 个不同的量化电平，它会把模拟信号的幅度范围划分成 256 个区间，采样值落入哪个区间，就用对应的数字代码表示。
编码：把量化后的数值用二进制代码表示出来，最终输出数字信号。比如量化后的数值为 100（十进制），对于 8 位二进制编码，转换后可能为 01100100（二进制）。

3.应用场景：

数据采集系统：在工业控制、环境监测等领域，需要采集各种模拟量（如温度、压力、流量等），通过 ADC 将这些模拟信号转换为数字信号，便于计算机进行存储、处理和分析。
数字音频：将连续的模拟音频信号（如麦克风采集到的声音信号）转换为数字音频数据，以便在计算机、MP3 播放器等设备中进行存储、编辑和传输。
数字图像处理：相机中的图像传感器获取的是模拟光信号，通过 ADC 将其转换为数字信号，才能在后续进行图像处理和存储。

DAC（数字模拟转换器）

1.功能：

DAC 的功能与 ADC 相反，它是将离散的数字信号转换为连续变化的模拟信号。数字系统处理后的结果通常以数字信号形式存在，而很多实际应用场景需要模拟信号来驱动执行机构或进行后续模拟处理，这时就需要 DAC 进行转换。

2.工作原理：

解码：将输入的二进制数字代码转换为对应的模拟电压或电流的量化值。不同位的二进制数字对应不同的权重，例如对于一个 n 位的 DAC，最高位的权重是最低位权重的 2^(n - 1) 倍。以 4 位 DAC 为例，输入数字代码 1100，最高位权重为 8，次高位权重为 4，它代表的量化值就是 8 + 4 = 12（假设最低位权重为 1）。
重建模拟信号：根据解码得到的量化值，通过电路将其转换为实际的模拟电压或电流信号。通常使用电阻网络、运算放大器等电路元件来实现这一转换过程，最终输出一个连续变化的模拟信号。

3.应用场景：

音频播放：将数字音频数据转换为模拟音频信号，驱动扬声器发声，让人们听到声音。
信号发生器：通过输入不同的数字代码，利用 DAC 生成各种模拟波形信号，如正弦波、方波、三角波等，用于电子电路测试、通信系统调试等。
工业控制系统：将计算机输出的数字控制信号转换为模拟控制信号，用于控制电机转速、阀门开度等模拟执行机构，实现对工业生产过程的精确控制。

ADC 的分类

1.按转换原理分类

逐次逼近型 ADC
工作原理：逐次逼近型 ADC 使用一个比较器和一个逐次逼近寄存器（SAR）。转换开始时，SAR 将最高位设为 1，其余位设为 0，形成一个试探值。这个试探值经 DAC 转换为模拟电压，与输入模拟信号在比较器中比较。如果模拟电压大于输入信号，最高位清零；反之，最高位保持为 1。然后对下一位进行同样操作，直到所有位都试探完毕，此时 SAR 中的值就是转换后的数字信号。
特点：转换速度较快，一般在微秒级，适用于中高速、中等精度（通常 8 - 16 位）的数据采集系统，如数字万用表、示波器等设备。
积分型 ADC
工作原理：分为单积分和双积分两种，以双积分型为例。首先，对输入模拟电压 Vin 进行固定时间 T1 的积分，积分器输出电压与 Vin 成正比。然后，将积分器接入已知的参考电压 Vref 进行反向积分，直到积分器输出回到零。反向积分时间 T2 与 Vin 成正比，通过测量 T2 就可得到输入模拟电压对应的数字量。
特点：转换精度高，抗干扰能力强，但转换速度慢，一般在毫秒级，常用于对精度要求高而速度要求不高的场合，如高精度数字电压表。
并行比较型 ADC
工作原理：使用多个比较器对输入模拟信号同时与不同的参考电压进行比较，这些参考电压由电阻分压器产生，覆盖整个输入电压范围。每个比较器的输出对应数字信号的一位，通过编码器将比较器的输出编码为最终的数字信号。例如，一个 3 位并行比较型 ADC 需要 23−1=7 个比较器。
特点：转换速度极快，可达到纳秒级，是所有 ADC 中速度最快的，但结构复杂，成本高，适用于高速、低精度（一般 8 位以下）的应用，如高速数字示波器、视频信号处理等。
流水线型 ADC
工作原理：由多个级联的子 ADC 组成，每一级子 ADC 对输入信号进行部分转换。前一级子 ADC 的量化误差被放大后送到下一级继续转换，各级转换结果经过数字校正逻辑处理后得到最终的数字输出。
特点：兼顾了速度和精度，转换速度较快（一般在几十到几百 MSPS），精度可达 12 - 16 位，常用于通信系统、数据采集卡等领域。

2.按输出数据形式分类

二进制码输出 ADC：直接以二进制数字形式输出转换结果，这是最常见的输出形式，方便与数字系统接口，如计算机、微控制器等。
格雷码输出 ADC：输出格雷码形式的数字信号。格雷码的特点是相邻两个代码之间只有一位不同，在一些对信号跳变敏感的应用中，可减少因代码变化产生的错误，例如在旋转编码器等位置检测系统中应用较多。

DAC 的分类

1.按解码网络结构分类

权电阻网络 DAC
工作原理：根据二进制数字信号中每一位的权重，使用不同阻值的电阻组成解码网络。例如对于一个 n 位 DAC，最高位对应电阻 R，次高位对应电阻 2R，依此类推，最低位对应电阻 2n−1R。通过运算放大器将这些电阻上的电流相加，转换为输出电压。
特点：结构简单，但电阻阻值范围大，精度难以保证，适用于对精度要求不高的场合。
倒 T 形电阻网络 DAC
工作原理：采用倒 T 形电阻网络，所有电阻只有 R 和 2R 两种阻值。数字信号控制电子开关，将对应位的电流接入求和电路，最终转换为输出电压。由于电阻种类少，易于集成，精度较高。
特点：转换速度快，精度较高，是目前应用较为广泛的一种 DAC 结构，常用于音频、视频信号处理等领域。
权电流型 DAC
工作原理：为克服权电阻网络 DAC 中电阻阻值范围大的问题，采用恒流源作为电流源，每个恒流源的电流大小与对应二进制位的权重成正比。通过电子开关控制恒流源电流是否流入求和电路，实现数字到模拟的转换。
特点：转换精度高，速度快，适用于高精度、高速的应用场合，如高速数据采集系统中的波形发生器。