ADC 与 DAC 基础

Author：余生

我们将从最底层的物理原理出发，深入剖析 ADC（模数转换器）和 DAC（数模转换器）的工作机制，详细讲解它们是如何实现模拟信号与数字信号之间的相互转换的。我们将探讨不同类型的转换架构（如逐次逼近型、Σ-Δ 型、R-2R 梯形网络等），分析其精度、速度、噪声等关键参数，并结合 STM32 等微控制器的实际外设，手写底层寄存器操作与库函数实现。最后，我们将对 ADC 与 DAC 进行全面对比，涵盖工作原理、应用场景、性能指标、电路实现等多个维度，力求内容详实、逻辑清晰、深入浅出。

一：从物理世界到数字世界 —— 为什么要 ADC/DAC？

1.1 模拟信号 vs 数字信号

模拟信号（Analog）：连续变化的物理量，如电压、电流、温度、声音、光强等。其值在时间和幅度上都是连续的。
数字信号（Digital）：离散的二进制值（0 和 1），由微控制器、CPU 等数字系统处理。

现实世界是模拟的，而计算机是数字的。 ADC 和 DAC 是连接这两个世界的 “桥梁”。

二：ADC —— 模拟到数字的转换

2.1 ADC 的基本概念

ADC 的作用是：将一个连续的模拟电压值转换为一个离散的数字值（二进制数）。

关键参数

参数	含义
分辨率（Resolution）	输出数字值的位数，如 8-bit、10-bit、12-bit、16-bit
参考电压（Vref）	转换的基准电压，决定输入范围（如 0~3.3V）
采样率（Sampling Rate）	每秒能完成多少次转换（Hz）
量化误差（Quantization Error）	由于离散化引入的误差，最大为 ±0.5 LSB
信噪比（SNR）、有效位数（ENOB）	衡量实际精度的指标

2.2 ADC 的工作流程

ADC 转换通常分为两个阶段：

采样（Sampling）：
1. 使用采样保持电路（Sample-and-Hold, S/H）在极短时间内 “捕获” 输入电压。
2. 保持该电压稳定，供后续转换使用。
量化与编码（Quantization & Encoding）：
1. 将采样到的电压值映射到最近的数字码。
2. 例如：12-bit ADC，Vref = 3.3V，则每 LSB = 3.3V / 4096 ≈ 0.806 mV。

2.3 ADC 的主要类型与原理

类型 1：逐次逼近型 ADC（SAR ADC）

这是 STM32 内部 ADC 最常用的类型。

工作原理

使用一个逐次逼近寄存器（SAR）和一个内部 DAC。
从最高位（MSB）开始，逐位试探：
1. 将当前猜测的数字码送入内部 DAC，生成模拟电压。
2. 与输入电压比较。
3. 如果 DAC 输出 < 输入，则保留该位为 1；否则为 0。
重复 N 次（N = 分辨率），完成 N 位转换。

示例（4-bit SAR ADC）

步骤	SAR 值	DAC 输出	比较结果	保留位
1	1000	Vref/2	< 输入	1
2	1100	3Vref/4	> 输入	0
3	1010	5Vref/8	< 输入	1
4	1011	11Vref/16	≈ 输入	1

最终结果： 1011

优点：

中高速（100 kSPS ~ 10 MSPS）
功耗低
集成度高

缺点：

分辨率通常 ≤ 16-bit
需要高精度比较器和 DAC

类型 2：Σ-Δ（Sigma-Delta）ADC

用于高精度、低速应用（如称重、温度测量）。

工作原理

使用调制器（Modulator）将输入信号转换为高速、低分辨率（1-bit）的脉冲流。
脉冲密度与输入电压成正比。
通过数字滤波器（Decimation Filter）对脉冲流进行平均和降采样，输出高分辨率数字值。

核心思想：

过采样（Oversampling）：以远高于奈奎斯特频率的速率采样。
噪声整形（Noise Shaping）：将量化噪声推向高频，便于滤除。

优点：

分辨率高（16~24 bit）
线性度好
抗干扰强

缺点：

速度慢（几 Hz ~ 几 kHz）
延迟大

类型 3：Flash ADC（并行 ADC）

速度最快，但功耗和面积大。

原理：

使用 2N−12N−1 个比较器同时比较输入电压与不同参考电压。
编码器直接输出 N 位结果。

优点：

极高速（GHz 级）
延迟极小

缺点：

8-bit 需 255 个比较器，面积和功耗巨大
分辨率低（通常 ≤ 8-bit）

2.4 STM32 ADC 外设与底层实现

主要寄存器（以 STM32F103 ADC1 为例）

寄存器	作用
ADC_SR	状态寄存器（EOC, JEOC, AWD 等）
ADC_CR1/CR2	控制寄存器（使能、扫描、注入通道等）
ADC_SMPR1/SMPR2	采样时间寄存器
ADC_SQR1/SQR2/SQR3	规则通道序列寄存器
ADC_JSQR	注入通道序列寄存器
ADC_DR	数据寄存器（16 位）

配置 ADC（轮询方式）

cpp

void ADC1_Init(void) {
    // 1. 使能时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN | RCC_APB2ENR_IOPAEN;

    // 2. 配置 GPIO（PA0 = ADC1_IN0）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 3. 配置 ADC_CR2
    ADC1->CR2 = 0;
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON; // 开启 ADC 电源
    for(volatile int i = 0; i < 1000; i++); // 等待稳定
    // 4. 设置采样时间（通道 0，采样周期 = 239.5 cycles）
    ADC1->SMPR2 |= ADC_SMPR2_SMP0_2 | ADC_SMPR2_SMP0_1 | ADC_SMPR2_SMP0_0;

    // 5. 单通道，规则序列长度 = 1
    ADC1->SQR1 = 0;
    ADC1->SQR3 = 0; // 通道 0 在 SQ1
}

uint16_t ADC_ReadChannel(uint8_t channel) {
    // 设置通道
    ADC1->SQR3 = channel;

    // 开始转换
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;

    // 等待转换完成（EOC 标志）
    while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));
    // 读取数据
    return (uint16_t)ADC1->DR;
}

使用 DMA 实现连续采样

cpp

uint16_t adc_buffer[100];
void ADC1_DMA_Init(void) {
    // 1. 使能 DMA 时钟
    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_DMA1EN;

    // 2. 配置 DMA 通道 1（ADC1 → 内存）
    DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)adc_buffer;
    DMA1_Channel1->CNDTR = 100;
    DMA1_Channel1->CCR = 
        DMA_CCR_EN      |   // 使能
        DMA_CCR_CIRC    |   // 循环模式
        DMA_CCR_MINC    |   // 内存地址自增
        DMA_CCR_PSIZE_0 |   // 外设 8-bit
        DMA_CCR_MSIZE_0 |   // 内存 8-bit
        DMA_CCR_DIR;       // 外设 → 内存
    // 3. 使能 ADC 的 DMA 请求
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_DMA;
}

三：DAC —— 数字到模拟的转换

3.1 DAC 的基本概念

DAC 的作用是：将一个数字值（二进制数）转换为对应的模拟电压或电流。

关键参数

参数	含义
分辨率	输入数字的位数（8/12-bit）
参考电压（Vref）	输出范围的基准（0 ~ Vref）
建立时间（Settling Time）	输出稳定到最终值所需时间
积分非线性（INL）、微分非线性（DNL）	衡量线性度的指标
单调性（Monotonicity）	数字输入增加时，模拟输出不减小

3.2 DAC 的主要类型与原理

类型 1：R-2R 梯形网络 DAC

原理：

使用精密电阻构成 R-2R 梯形网络。
每个位控制一个开关，连接到 Vref 或 GND。
网络输出一个与数字输入成正比的电压。

优点：

电阻匹配要求相对较低
易于集成

缺点：

需要高精度电阻
高位变化时可能产生毛刺

类型 2：权电阻网络 DAC

原理：

每个位使用一个电阻，阻值为 2n−1R2n−1R。
电流相加，通过运放转换为电压。

缺点：

电阻值范围大（如 1R, 2R, 4R, ..., 128R），难以高精度匹配。
仅适用于低分辨率。

类型 3：Σ-Δ DAC

与 Σ-Δ ADC 类似，使用调制器将高分辨率数字信号转换为低分辨率高速脉冲流，再通过模拟滤波器恢复为平滑模拟信号。

应用：

音频 DAC（如 CD 播放器）
高保真音频输出

3.3 STM32 DAC 外设与底层实现

STM32F1/F4 等系列内置 12-bit DAC。

主要寄存器（DAC1）

寄存器	作用
DAC_CR	控制寄存器（使能、触发源）
DAC_SWTRIGR	软件触发寄存器
DAC_DHRx	数据保持寄存器（左 / 右对齐）
DAC_DORx	输出寄存器（只读）

配置 DAC（软件触发）

cpp

void DAC1_Init(void) {
    // 1. 使能时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_DACEN;
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;

    // 2. 配置 GPIO（PA4 = DAC1_OUT）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; // 模拟输出
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 3. 配置 DAC_CR
    DAC->CR = 0;
    DAC->CR |= 
        DAC_CR_EN1 |              // 使能 DAC 通道 1
        DAC_CR_TEN1 |             // 使能软件触发
        (0 << 8);                 // 不使用波形生成功能
}

void DAC_SetVoltage(uint16_t digital_value) {
    // 写入数据寄存器（12-bit 右对齐）
    DAC->DHR12R1 = digital_value & 0x0FFF;
    // 软件触发转换
    DAC->SWTRIGR |= DAC_SWTRIGR_SWTRIG1;
}

使用定时器触发 DAC（生成波形）

cpp

// 配置 TIM6 作为 DAC 触发源
TIM6->PSC = 72 - 1;        // 72MHz / 72 = 1MHz
TIM6->ARR = 100 - 1;       // 1MHz / 100 = 10kHz 触发
TIM6->DIER = TIM_DIER_UDE; // 更新事件触发 DMA
TIM6->CR1 = TIM_CR1_CEN;   // 启动定时器
// 配置 DAC_CR：触发源 = TIM6 TRGO
DAC->CR |= (5 << 17); // TSEL1 = 101 → TIM6 TRGO

10.3.1 51单片机

10.3.2 STM32

10.3.2.1 概述

10.3.2.2 开发环境

10.3.2.3 外设资源

10.3.2.4 体系架构

10.4.1 嵌入式操作系统概述

10.4.2 嵌入式操作系统核心概念

10.4.3 常见嵌入式操作系统

ADC 与 DAC 基础

一：从物理世界到数字世界 —— 为什么要 ADC/DAC？

1.1 模拟信号 vs 数字信号

二：ADC —— 模拟到数字的转换

2.1 ADC 的基本概念

关键参数

2.2 ADC 的工作流程

2.3 ADC 的主要类型与原理

类型 1：逐次逼近型 ADC（SAR ADC）

工作原理

示例（4-bit SAR ADC）

类型 2：Σ-Δ（Sigma-Delta）ADC

工作原理

类型 3：Flash ADC（并行 ADC）

2.4 STM32 ADC 外设与底层实现

主要寄存器（以 STM32F103 ADC1 为例）

配置 ADC（轮询方式）

使用 DMA 实现连续采样

三：DAC —— 数字到模拟的转换

3.1 DAC 的基本概念

关键参数

3.2 DAC 的主要类型与原理

类型 1：R-2R 梯形网络 DAC

类型 2：权电阻网络 DAC

类型 3：Σ-Δ DAC

3.3 STM32 DAC 外设与底层实现

主要寄存器（DAC1）

配置 DAC（软件触发）

使用定时器触发 DAC（生成波形）

10.3.2.1 概述

10.3.2.2 开发环境

10.3.2.3 外设资源

10.3.2.4 体系架构

ADC 与 DAC 基础 ​

一：从物理世界到数字世界 —— 为什么要 ADC/DAC？ ​

1.1 模拟信号 vs 数字信号 ​

二：ADC —— 模拟到数字的转换 ​

2.1 ADC 的基本概念 ​

关键参数 ​

2.2 ADC 的工作流程 ​

2.3 ADC 的主要类型与原理 ​

类型 1：逐次逼近型 ADC（SAR ADC） ​

工作原理 ​

示例（4-bit SAR ADC） ​

类型 2：Σ-Δ（Sigma-Delta）ADC ​

工作原理 ​

类型 3：Flash ADC（并行 ADC） ​

2.4 STM32 ADC 外设与底层实现 ​

主要寄存器（以 STM32F103 ADC1 为例） ​

配置 ADC（轮询方式） ​

使用 DMA 实现连续采样 ​

三：DAC —— 数字到模拟的转换 ​

3.1 DAC 的基本概念 ​

关键参数 ​

3.2 DAC 的主要类型与原理 ​

类型 1：R-2R 梯形网络 DAC ​

类型 2：权电阻网络 DAC ​

类型 3：Σ-Δ DAC ​

3.3 STM32 DAC 外设与底层实现 ​

主要寄存器（DAC1） ​

配置 DAC（软件触发） ​

使用定时器触发 DAC（生成波形） ​

ADC 与 DAC 基础

一：从物理世界到数字世界 —— 为什么要 ADC/DAC？

1.1 模拟信号 vs 数字信号

二：ADC —— 模拟到数字的转换

2.1 ADC 的基本概念

关键参数

2.2 ADC 的工作流程

2.3 ADC 的主要类型与原理

类型 1：逐次逼近型 ADC（SAR ADC）

工作原理

示例（4-bit SAR ADC）

类型 2：Σ-Δ（Sigma-Delta）ADC

工作原理

类型 3：Flash ADC（并行 ADC）

2.4 STM32 ADC 外设与底层实现

主要寄存器（以 STM32F103 ADC1 为例）

配置 ADC（轮询方式）

使用 DMA 实现连续采样

三：DAC —— 数字到模拟的转换

3.1 DAC 的基本概念

关键参数

3.2 DAC 的主要类型与原理

类型 1：R-2R 梯形网络 DAC

类型 2：权电阻网络 DAC

类型 3：Σ-Δ DAC

3.3 STM32 DAC 外设与底层实现

主要寄存器（DAC1）

配置 DAC（软件触发）

使用定时器触发 DAC（生成波形）