模数转换（A/D）与数模转换（D/A）

单片机是一个典型的数字系统，数字系统只能呢个对输入的数字信号进行处理，其输出信号也是数字的。但工业或者生活中的很多量都是模拟量，这些模拟量可以通过传感器变成与之对应的电压、电流等模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量的测量，运算和控制，就需要一个模拟量和数字量之间的相互转化的过程。

一个包含A/D和D/A转换器的典型的计算机自动控制系统

一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统下图所示。

典型的计算机自动控制系统

在上图中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。

一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。送入A/D转换器的信号大小与A/D转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。

在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转换器，如ADC0809等。

若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。

A/D和D/A的基本概念

A/D是模拟量到数字量的转换，依靠的是模数转换器（AnalogtoDigitalConverter），简称ADC。D/A是数字量到模拟量的转换，依靠的是数模转换器（DigitaltoAnalogConverter），简称DAC。它们的道理是完全一样的，只是转换方向不同，因此我们讲解过程主要以A/D为例来讲解。

什么是模拟量？就是指变量在一定范围内连续变化的量，总之，任何两个数字之间都有无限个中间值，所以称之为连续变化的量，也就是模拟量。ADC就是起到把连续的信号用离散的数字表达出来的作用。

模数转换（A/D）技术指标

1）分辨率（Resolution）

指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2^n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

2）转换速率（ConversionRate）

是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率（SampleRate）必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/MillionSamplesperSecond）。

3）量化误差（QuantizingError）

由于AD的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。

4）偏移误差（OffsetError）

输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

5）满刻度误差（FullScaleError）

满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

6）线性度（Linearity）

实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其他指标还有：绝对精度（AbsoluteAccuracy），相对精度（RelativeAccuracy），微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（TotalHarmonicDistotortion缩写THD）和积分非线性。

数模转换（D/A）性能指标

D/A转换器的主要特性指标包括以下几方面：

分辨率

指最小输出电压（对应的输入数字量只有最低有效位为“1”）与最大输出电压（对应的输入数字量所有有效位全为“1”）之比。如N位D/A转换器，其分辨率为1/（2^N-1）。在实际使用中，表示分辨率大小的方法也用输入数字量的位数来表示。

线性度

用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度。并且把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。

转换精度

D/A转换器的转换精度与D/A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。如果不考虑其他D/A转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率的大小，因此要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关，当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，D/A转换就产生错误。

在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。

转换速度

转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始，到输出电压稳定在FSR±½LSB范围（或以FSR±x%FSR指明范围）内为止，这段时间称为建立时间，它是DAC的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢。