模数和数模转换器(ADC和DAC)工作原理

为了能够使用数字电路处理模拟信号,必须把模拟信号转化成相应的数字信号,方能送入数字系统进行处理.同时也要把处理后得到的数字信号在转换成相应的模拟信号 ,作为最后的输出.我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换叫做模-数转换,或简称A/D;把后一种从数字信号到模拟信号的转换叫做数-模转换,或简称D/A.同时把A/D或D/A转换的电路叫做模数转换器(简称ADC)或数模转换器(简称DAC)

主要分成以下几个部分：

1、取样：取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。

2、保持：模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。

3、量化：将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。

4、编码：把量化的结果用代码表示出来，称为编码。这些代码就是A/D转换的输出结果。

模拟信号数字化需要注意两个问题：①每秒钟需要采集多少个信号样本，也就是采样频率(fs)是多少，②每个信号样本的比特数b/s(bit per sample)应该是多少，也就是量化精度。

根据奈奎斯特理论（Nyquist theory），采样频率的高低是由模拟信号本身的最高频率决定的。奈奎斯特理论指出，采样频率不应低于模拟信号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的信号还原成原来的信号，这叫做无损数字化（lossless digitization）。采样定律用公式表示为

fs ≥ 2f   或者  T s ≤ T/2

其中f为被采样信号的最高频率，T为被采样信号的最低周期，fs称为采样频率，Ts为采样间隔。

如下图，图中的正弦曲线代表原始音频曲线；填了颜色的方格代表采样后得到的结果，二者越吻合说明采样结果越好。

量化位数：量化位是对模拟音频信号的幅度轴进行数字化，它决定了模拟信号数字化以后的动态范围。由于计算机按字节运算，一般的量化位数为8位和16位。量化位越高，信号的动态范围越大，数字化后的音频信号就越可能接近原始信号，但所需要的存贮空间也越大。

模数转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 

直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。

 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f, 然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。

模数转换器的主要技术指标、

1.分辨率。

分辨率指模数转换器对输入模拟信号的分辨能力。

2. 转换时间。

转换时间是指模数转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。

3. 转换误差。

它表示模数转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。

模数转换器的主要技术指标、

1.转换精度。

保证数据处理结果的准确性。

2. 转换速度。

适应快速过程的控制和检测的需要。