adc和dac的工作流程

1、adc工作流程

　　ADC（模数转换器）将模拟信号转换为数字信号的过程可以概括为采样、量化和编码三个核心步骤。下面以生活中常见的声音信号转换为例：

①采样（Sampling）——“定格” 连续信号

　　模拟信号（如声音、温度）是连续变化的（时间和幅度都连续），而数字信号是离散的。采样就是按照固定时间间隔，“抓取” 模拟信号在特定时刻的幅度值，将连续时间信号转化为离散时间信号。如：

当你对着麦克风说话时，声音（模拟信号）通过麦克风转化为连续变化的电压（比如范围在 - 1V~+1V 之间）。ADC 会按照固定频率（如 44.1kHz，即每秒采样 44100 次）“读取” 这个电压值，得到一系列离散的电压点（如 t=0 时刻 0.3V，t=1/44100 秒时刻 0.5V，t=2/44100 秒时刻 0.4V 等）。

关键参数：采样频率需满足奈奎斯特准则（采样频率≥2 倍信号最高频率），否则会出现信号失真。

②量化（Quantization）——“分级” 幅度值

　　采样得到的离散电压值仍是连续的（理论上可以是无限多个值），而数字信号只能表示有限个离散值。量化就是将采样得到的幅度值 “四舍五入” 到最近的预设等级，将连续幅度转化为离散幅度。如：

假设 ADC 是3 位（可表示 8 个等级：0~7），基准电压范围为 0~1V（即 0V 对应等级 0，1V 对应等级 7）。

• 若采样得到 0.3V，计算得：0.3V ÷ (1V/8) = 2.4 → 四舍五入到等级 2；
• 若采样得到 0.5V，计算得：0.5V ÷ 0.125V = 4 → 对应等级 4；
• 若采样得到 0.4V，计算得 3.2 → 四舍五入到等级 3。

关键参数：位数越高（如 12 位、16 位），等级越多（如 12 位有 4096 个等级），量化误差越小，精度越高。

③编码（Coding）——“翻译” 为二进制

　　量化后的等级值（如 0~7）需要转化为计算机可识别的二进制代码，这一过程称为编码。如：

3 位 ADC 的等级与二进制对应关系为：

• 等级 0 → 000；
• 等级 2 → 010；
• 等级 3 → 011；
• 等级 4 → 100。

因此，上述采样电压最终会被编码为：
0.3V → 010，0.5V → 100，0.4V → 011。

完整流程总结（以声音信号为例）

模拟信号：你的声音→麦克风→连续变化的电压（-1V~+1V）；

　　采样：ADC 每秒 44100 次 “读取” 电压值，得到离散时间点的电压；

　　量化：将每个电压值对应到 16 位 ADC 的 65536 个等级中（如 0.3V 对应等级 19660）；

　　编码：等级 19660 转化为二进制代码（如 1001100010001100）。

最终，连续的声音信号就变成了一串二进制数字，可被计算机存储或处理（如保存为 MP3 文件）。　

　　常见 ADC 类型：逐次逼近型（SAR ADC）：通过多次比较逼近采样值，适用于中速、中精度场景（如传感器）；Δ-Σ ADC：通过高频过采样降低量化误差，适用于高精度场景（如音频设备）；闪存型 ADC：并行比较实现高速转换，适用于高频信号（如雷达）。

2、dac的工作流程

　　DAC（数模转换器）的核心功能是将离散的数字信号（二进制代码）转换为连续的模拟信号（电压或电流），其过程可概括为解码数字权重、合成模拟量、平滑输出三个步骤。以下以音频播放中的 DAC 转换为例，结合R-2R 梯形电阻网络 DAC进行说明

　　核心原理：按 “权重” 合成模拟信号，数字信号由二进制代码组成（如 3 位二进制 “101”），每个二进制位（bit）的 “权重” 不同（高位权重是低位的 2 倍）。DAC 的作用是将每个位的权重按数字代码的 “有无”（1 表示有，0 表示无）进行叠加，最终生成与数字代码成比例的模拟信号。

　　假设我们有一个 3 位 R-2R DAC，基准电压 Vref​=8V（决定模拟输出的最大范围），目标是将二进制代码 “101” 转换为模拟电压：

①解码数字信号的 “权重”：

　　二进制代码的每个位（从高位到低位）对应不同的权重，权重大小由位数决定：

• • 3 位 DAC 的位编号：最高位（MSB，第 2 位）、中间位（第 1 位）、最低位（LSB，第 0 位）；
  • 权重计算：第n位的权重 = Vref​/2³⁻ⁿ（总位数为 3）

具体如下：　　

最高位（MSB，第 2 位）：权重 = 8V/2¹=4V（二进制 “1” 时贡献 4V，“0” 时贡献 0V）；

中间位（第 1 位）：权重 = 8V/2²=2V；

最低位（LSB，第 0 位）：权重 = 8V/2³=1V。

②按数字代码合成模拟量：

　　数字代码的每个位通过开关控制是否接入权重。例如，二进制 “101” 表示：

• • 最高位（第 2 位）为 “1”：接入 4V 权重；
  • 中间位（第 1 位）为 “0”：不接入（贡献 0V）；
  • 最低位（第 0 位）为 “1”：接入 1V 权重。

　　总模拟电压 = 各有效位权重之和 = 4V+0V+1V=5V。

③平滑输出（滤波去噪）：

　　合成的模拟信号初期是 “阶梯状” 的（因数字代码离散变化），需通过低通滤波器去除高频分量，得到连续平滑的模拟信号。例如：　　

• • 若数字信号是 “101→110→111”（对应 5V→6V→7V），阶梯状信号经过滤波后会变成连续上升的电压曲线。

完整例子：音频信号的转换过程

　　当你用手机播放音乐时，存储的数字音频信号（如 MP3 文件）是一串二进制代码（例如 16 位二进制），转换过程如下：

　　　　数字输入：16 位二进制代码 “1001100010001100”（对应某个声音的振幅）；

　　　　权重解码：16 位 DAC 的最高位权重为 Vref​/2（如基准电压 3V，最高位权重 1.5V），低位权重依次减半（第 15 位 0.75V，…，第 0 位≈46.57μV）；

　　　　模拟合成：代码中 “1” 对应的权重相加（如 “1001100010001100” 对应约 1.23V）；

　　　　平滑输出：阶梯状的 1.23V 信号经低通滤波器（截止频率 20kHz，匹配人耳听觉范围）处理后，变成连续的电压信号，驱动扬声器振动，最终还原为声音。　　　

关键参数：位数与精度，位数越高（如 16 位、24 位），权重分级越细（16 位有 65536 个等级），模拟信号越接近原始连续信号（失真越小）。例如，16 位 DAC 的最小电压变化（LSB）为 Vref​/65536（如 3V 基准下约 46μV），远小于 3 位 DAC 的1V

常见 DAC 类型：R-2R 梯形 DAC：结构简单，成本低，适用于中精度场景（如音频）；电流舵 DAC：通过电流源阵列切换实现高速转换，适用于高频场景（如通信）；Δ-Σ DAC：通过数字滤波提升精度，适用于高精度音频设备。