技术指南：理解ADC和DAC在现代电子中的角色及其区别

您可能在各种谈话或者场合中听说过ADC和DAC这两个术语，但它们到底是什么呢？

ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）是许多设备如手机和医疗装置的基础组成部分。为了在科技、娱乐或医疗保健系统等电子设备中处理和使用信息，这些组件依靠模拟信号与数字信号之间的转换。接下来，道合顺将详解ADC和DAC，把它们的基础知识、关键性能指标、应用领域及面临的挑战等内容，以简明易懂的方式呈现给您，帮助您更好地了解这两个构建我们未来的关键组件。

了解模拟和数字：有何区别

模拟世界

模拟格式类似于涟漪池塘，其中模拟信号被不断变化的水位反射。这是因为模拟信号是连续波形，利用幅度和频率的波动来传达数据或信息。

例如，麦克风记录的噪音、摄像机获取的图像、电路中电压和电流的变化，或温度计上温度读数的变化。当这些粒子在较长的距离或时间段内传播时，模拟信号越来越容易受到噪音和失真的影响，从而导致信号衰减。

数字世界

另一方面，数字信号使用离散方法，将给定的数据表示为一系列有限值，通常是二进制（0 和 1）。

简单来说，模拟信号就像一个流动的池塘，总是在变化，而数字信号就像以 0 和 1 的固定间隔拍摄的照片。此外，与模拟信号相比，数字信号具有抗噪声和抗失真的特性。正因为如此，它们是创建各种现代存储和通信系统的理想选择。您可以在观看的视频、手机上的音乐以及在线分享的照片（数字像素）中看到数字信号的强度！

连接世界的桥梁

使用 ADC 和 DAC 进行模拟和数字信号的转换是数字世界的重要组成部分。使用模数转换器可以轻松将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。相反，数模转换器通过使用数字数据重建模拟信号，使数字系统能够与物理环境进行交互。

ADC 的作用：将模拟转换为数字

模数转换器 (ADC) 将模拟信号转换为离散的二进制数字，涉及以下步骤：

●采样： ADC 定期捕获模拟波形，从而产生一系列数据点。这称为采样。样本收集的频率由采样率表示，以赫兹表示。必须遵循奈奎斯特-香农采样定理，因为根据该定理，信号的最高频率分量至少是模拟信号的两倍。

●量化：这是根据每个样本与参考电平的接近程度为其分配数字代码的过程。可以通过计算该分辨率（以位为单位）来确定量化电平的数量。请记住，ADC 的分辨率或电平数量和采样率可能会影响其准确性。

ADC 的关键性能指标

ADC 的性能受以下几个因素很大影响：

●分辨率：以位表示，它定义了 ADC 可以表示的级别数。要知道，分辨率越高 = 准确度越高。

●采样率：ADC 对模拟信号进行采样的频率。较高的采样率可以更准确地表示快速变化的信号。

●动态范围：此元素显示 ADC 处理具有宽幅度范围的信号而不失真的能力。

●信噪比 (SNR )：这是指 ADC 降低干扰噪声的能力。SNR 越大，信号质量越好。

●总谐波失真 (THD)：此指标用于测量 ADC 造成的失真。THD 越低 = 信号越好。

●孔径不确定性：理想采样率和实际采样率之间的时间差异。

ADC 架构

ADC 有不同的类型，可满足各种应用需求，包括：

●闪存 ADC：这些 ADC 通过使用多个比较器提供高速功耗。但是，使用如此多的比较器会导致高成本和过度功耗。

●逐次逼近型ADC：使用反复试验方法，逐次逼近型ADC 可确定模拟输入的数字等效值，同时平衡电源效率、速度和准确性。

● Sigma-Delta ADC：通过使用噪声整形和过采样，这些 ADC 可以有效地达到更高的分辨率。此外，由于其功耗低，它们非常适合低频应用。

●流水线 ADC：为了获得高速度和高分辨率，这些 ADC 结合了几级低分辨率 ADC。流水线 ADC 通常用于需要高性能的应用。

注意：全面了解 ADC 架构和特性对于为特定应用选择最佳 ADC 非常重要。

DAC 的作用：将数字转换为模拟

DAC 是数模转换器，与 ADC 相反。它将离散的数字值转换为成比例的模拟电压或电流水平，从而从这些离散值重新创建连续的模拟信号。

DAC 的关键性能指标

DAC 的性能由多种因素决定：

●分辨率： DAC 可以创建的离散输出电平数量由分辨率定义，以位表示。更高的 DAC 分辨率为输出信号提供更大的粒度，从而实现精确的动态范围。

●转换速度：对于音乐、视频等高速应用，DAC的转换速度至关重要。转换速率可以决定DAC将数字数据转换为模拟输出的速度。

●线性：该指标决定输出值与输入值的匹配程度，这会对整体信号质量产生巨大影响。  

●动态范围：此指标显示数模转换器 (DAC) 处理各种输出幅度而不失真的能力。

●无杂散动态范围 (SFDR)：数模转换器 (DAC) 抑制杂散信号和不需要的谐波的能力称为 SFDR。它会影响输出信号的整体质量。

●稳定时间：这是 DAC 输出在数字输入发生变化后稳定所需的时间。请记住，高速应用需要更短的稳定时间。

DAC 架构

各种 DAC 架构均可用于实现特定的性能目标：

●加权电阻 DAC：这些 DAC 采用电阻网络，其值与数字输入位成比例。虽然它们的设计相当简单，但它们容易受到电阻公差的影响，从而影响准确性。

● R-2R 梯形 DAC：这些 DAC 比加权电阻 DAC 更精确、更线性，因为它们使用等值电阻的梯形电阻网络。R-2R 梯形 DAC 用于涉及音频和仪器的应用。

●电流控制 DAC：这些 DAC 利用基于数字输入打开或关闭的电流源，提供极高的速度和功率效率。它们非常适合高性能应用。

● Sigma-Delta DAC：虽然 Sigma-Delta 原理主要与 ADC 相关，但它们也可用于 DAC 设计。这些 DAC 通常速度较低，但分辨率高且噪音低。

注意：在为特定应用选择相关 DAC 之前，应考虑速度、准确性、功耗和成本等多种因素。

ADC 和 DAC 对各行业的影响

ADC 和 DAC 是数字时代的基础构件。这两者可实现模拟信号和数字信号之间的无缝高效交互。最好的部分是什么？这些多功能组件可应用于众多行业，包括：

媒体和娱乐

如果没有 ADC 和 DAC 信号，您就不可能欣赏喜爱的音乐或在 Netflix 上观看电影。

声音

麦克风使用 ADC 将声波转换为数字信号。这些信号经过进一步处理，并通过 DAC 传送到扬声器上。

DAC 用于混音、母带制作和播放，而 ADC 则需要录制录音棚级质量的音频。此外，ADC 和 DAC 对于数字音频广播 (DAB) 中数字无线电信号的传输和接收至关重要。

图片和视频

ADC 通过将光转换为数字图像数据，使相机能够精确捕捉每个像素。

例如，视频捕获设备依靠快速 ADC 将视频信号数字化，以便进行处理和编辑。同样，将数字图像数据转换为面板照明、LCD 和 OLED 显示器的模拟视频信号需要数模转换器 (DAC)。

电信

ADC 和 DAC 是将模拟语音信号转换为数字数据所必需的，这样它们才能有效地通过电话线传输。此外，ADC 和 DAC 通过各种网络传输语音数据和视频的能力被用于各种电信应用，包括先进的无线系统和卫星通信。

医疗技术

ADC 和 DAC 在医疗保健领域发挥着重要作用。它们用于将生理信号数字化以供分析，包括心电图 (ECG)、脑电图 (EEG)、患者监测和血压读数。但，不仅如此。CT 和 MRI 扫描仪等医疗成像设备也使用 ADC 来收集和处理图像数据。

工业自动化

ADC 可以有效测量流量、压力和温度等物理参数。相比之下，DAC 可以执行数字命令来操作执行器和阀门。ADC 和 DAC 还用于发电、运输和自动化零件制造。此外，信息娱乐系统、电动汽车动力系统和高级驾驶辅助系统 (ADAS) 都依赖于 ADC 和 DAC。

物联网 (IoT)

ADC 可以有效地将温度、运动或湿度等现实世界数据转换为数字信号，从而使物联网设备能够收集和传输有价值的信息。DAC 还可以通过将数字命令转换为物理动作来实现对这些设备的远程控制。

此外，创造沉浸式虚拟和增强现实体验还需要高性能 ADC 和 DAC。如何实现？ADC 可以捕捉现实世界的感官数据，包括声音和图像，而 DAC 可以生成逼真的音频和视觉输出，从而带来沉浸式虚拟体验。

挑战与解决方案

虽然 ADC 和 DAC 是必需的，但它们的实现需要仔细考虑几个因素，例如：

●抗噪声能力： ADC 和 DAC 都可能因不必要的电气干扰而中断。因此，实施适当的屏蔽、接地和滤波技术以防止信号质量下降非常重要。  

●功耗：高性能转换器会消耗大量功率，从而缩短电池寿命并降低系统热管理效率。因此，实施多种功率优化策略（如仔细选择组件和低功耗模式）非常重要。

●成本效益： 想要获得最高的性能，又不想花太多的钱？请根据您的具体应用选择适合您预算的相关 ADC 和 DAC，同时又不影响性能。

●准确性：为了实现高精度，必须进行仔细的校准和非理想性补偿。

●动态范围：处理各种范围的信号对于确保许多应用的准确表示至关重要。

ADC 和 DAC 技术的未来

现代半导体技术的进步正在推动 ADC 和 DAC 性能迈向新的水平！

随着行业的不断发展和进步，我们可以预期未来的迭代将提供更高的分辨率、更快的速度、更低的本底噪声和更低的功耗。此外，人工智能、虚拟现实高频通信和物联网 (IoT) 等多个领域的突破性进步将需要开发满足特定性能要求的专用 ADC 和 DAC 解决方案。