單片機(jī)怎么與模擬信號“交流”

我們都知道單片機(jī)只能識別0或1兩種數(shù)字信號，但是現(xiàn)實(shí)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(zhì)量等等，那單片機(jī)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(fā)現(xiàn)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(shù)模轉(zhuǎn)換功能了，學(xué)了電子技術(shù)基礎(chǔ)的朋友應(yīng)該都有印象吧。它們就像單片機(jī)與外界信息交流的翻譯官。

我們做項(xiàng)目開發(fā)時基本都會用到數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D、D/A），尤其是A/D單元，幾乎是項(xiàng)目必用的。所以它們的地位還是很重要的，基礎(chǔ)版的51單片機(jī)內(nèi)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(xiàn)在新出的芯片幾乎都是內(nèi)部集成數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，只要對著手冊在程序中設(shè)置一下引腳功能就可以進(jìn)行操作了。

所以之前的內(nèi)容中我一直沒介紹外接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片這一塊的知識，現(xiàn)在來介紹這一部分內(nèi)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(nèi)容，書本上有的電路，程序就不舉例說明了。

A/D和D/A轉(zhuǎn)換模型分類都比較多，這些細(xì)節(jié)可以參考相關(guān)書籍做了解。反正說白了，數(shù)模轉(zhuǎn)換原理是簡單的，普通的模塊也是廉價的，不然現(xiàn)在的MCU也不會集成它。但是高性能的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片國內(nèi)現(xiàn)在是欠缺的，這就影響了國內(nèi)工業(yè)在很多高精行業(yè)芯片不得不依靠進(jìn)口。長江后浪推前浪，但愿這些可以早日突破吧。

A/D轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)

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

A/D轉(zhuǎn)換步驟

采樣是將連續(xù)的模擬信號變成不連續(xù)的模擬信號，就像控制一個快速開關(guān)，開關(guān)定時開啟閉合過程，一個連續(xù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(xiàn)原輸入信號，而在實(shí)際應(yīng)用中通常會設(shè)置更高的采樣頻率，當(dāng)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(shè)置8Hz就能測出心率了呢？當(dāng)然不是這樣的，即使是80hz也不一定能測出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，實(shí)際開發(fā)中我們得設(shè)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(shù)字信號的過程，輸入信號的幅值變化就與實(shí)際的數(shù)值對應(yīng)起來，完成了從模擬到數(shù)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(shù)可以減少誤差。將量化過程得到的量化值進(jìn)行二進(jìn)制編碼，對相同范圍的模擬量，編碼位數(shù)越多，量化誤差越小。

轉(zhuǎn)換過程

D/A轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)

與A/D轉(zhuǎn)換相反，D/A轉(zhuǎn)換就是使用單片機(jī)輸出模擬信號，和A/D一樣也是有轉(zhuǎn)換精度的，最常見的應(yīng)用就是波形發(fā)生器，汽車，儀表類行業(yè)對這個要求會比較高。

并行D/A轉(zhuǎn)換原理

正如圖中所畫，D/A轉(zhuǎn)換時恰好和A/D轉(zhuǎn)換相反，內(nèi)部由多個按一定規(guī)律設(shè)計的阻電阻網(wǎng)絡(luò)的控制開關(guān)，通過比較器逐級比較從而輸出與設(shè)計值最接近的模擬量。