Analog-To-Digital and Digital-To-Analog Converters (The International Series in Engineering and Comp pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Rudy J. van de Plassche

出品人:

页数:548

译者:

出版时间:1994-01-31

价格:USD 167.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780792394365

丛书系列:

图书标签:

• Analog-to-Digital Conversion
• Digital-to-Analog Conversion
• Data Converters
• Signal Processing
• Electronics
• Mixed-Signal Circuits
• Instrumentation
• Measurement
• Control Systems
• Embedded Systems

模拟数字转换器与数字模拟转换器：穿越信号世界的桥梁 在这数字信息爆炸的时代，我们周围的一切都变得越来越智能，越来越互联。智能手机的触感屏幕、高清电视的细腻画面、数字音乐的纯净音质，甚至医疗领域中的精密仪器，其背后都离不开一个至关重要的技术：模拟数字转换（ADC）与数字模拟转换（DAC）。它们如同连接现实模拟世界与虚拟数字世界的桥梁，使得我们能够理解、处理并创造出各种丰富多彩的数字信号。 模拟信号是连续变化的，可以取无数个值，例如人耳听到的声音、摄像头捕捉的光线、温度传感器测量的温度。它们真实地反映着自然界的物理现象。然而，现代的电子设备，尤其是微处理器、计算机和各种数字信号处理（DSP）系统，却只能理解和处理数字信号，也就是离散的、用二进制代码表示的信号。因此，ADC扮演着至关重要的角色，它负责将这些连续的模拟信号“翻译”成数字设备能够理解的二进制形式。 模拟数字转换（ADC）的过程并非一蹴而就，而是包含一系列精细的步骤。首先，采样（Sampling）是至关重要的一步，它决定了在多长时间间隔内获取模拟信号的瞬时值。根据奈奎斯特-香农采样定理，为了无损地重建原始模拟信号，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍。采样频率越高，对原始信号的还原就越精确，但同时也意味着需要处理更多的数据。 接下来是量化（Quantization）。这是一个将连续的模拟幅度值映射到一组离散的、有限的数值的过程。想象一下，你有一把尺子，它只能显示厘米和毫米，而不能显示任意两个毫米之间的微小差距。量化就是这种“四舍五入”的过程。量化器的精度，也就是分辨率（Resolution），决定了它可以区分多少个不同的幅度级别。分辨率越高（例如12位、16位、24位），量化误差就越小，转换后的数字信号就越接近原始模拟信号。一个8位的ADC可以将模拟信号分成2^8 = 256个不同的级别，而一个16位的ADC则可以分成2^16 = 65536个级别。 最后一步是编码（Encoding），即将量化后的离散幅度值转换为数字编码，通常是二进制码。这样，原始的模拟信号就被成功地转换成了数字设备能够处理的二进制数据流。 ADC的类型多种多样，各有其优缺点，适用于不同的应用场景。逐次逼近型ADC（SAR ADC）是应用最广泛的一种，它通过一个数模转换器（DAC）和一个比较器来迭代地逼近输入模拟信号的数值，速度和精度都比较适中。双斜率积分型ADC（Dual-Slope Integrating ADC）则以其出色的抗噪声能力和高精度而闻名，常用于要求极高测量准确度的场合，但转换速度相对较慢。流水线型ADC（Pipeline ADC）通过将整个转换过程分解成多个阶段，每个阶段完成一部分转换，从而实现高速度的转换，是高性能数字示波器、高速数据采集等应用的首选。Σ-Δ（Sigma-Delta）ADC则通过过采样和数字滤波技术，在牺牲一定速度的情况下，实现了极高的分辨率和信噪比，在音频、精密测量等领域有着广泛的应用。 理解不同ADC的内部工作原理、性能指标（如采样率、分辨率、信噪比、功耗、线性度等）以及它们各自的适用范围，对于工程师在设计和选择合适的ADC以满足特定应用需求至关重要。例如，在智能手机的麦克风输入中，我们可能需要一个高分辨率、低功耗的ADC；而在高速通信系统中，我们则需要一个采样率极高的ADC。 与ADC相对应，数字模拟转换（DAC）则扮演着将数字信号转换回连续模拟信号的角色。在数字系统中处理完数据后，我们需要将这些数字化的信息重新呈现为我们能够感知或控制的模拟形式。例如，数字音频播放器将存储的数字音频数据转换成模拟电信号，驱动扬声器发出声音；数码相机将数字图像数据转换成模拟电信号，显示在屏幕上；数控机床（CNC）将控制指令中的数字信号转换成模拟的电机驱动信号，精确控制刀具的运动。 DAC的转换过程也包含几个关键环节。最核心的是量化（Quantization）的逆过程，即解码（Decoding），将数字编码还原成相应的幅度级别。然后，通过一个保持（Sample-and-Hold）电路，将离散的幅度值保持一段时间，形成一个阶梯状的模拟信号。最后，通过一个滤波（Filtering）环节，平滑这个阶梯状的信号，去除量化过程中引入的噪声和数字化的阶梯效应，最终输出一个逼近原始模拟信号的连续模拟波形。 DAC的类型也同样丰富多样，常见的有电阻开关型DAC，如权电阻DAC和R-2R梯形DAC，它们是构建DAC的基础，通过不同权重的电阻网络来实现幅度转换。电流输出型DAC和电压输出型DAC则是在权电阻DAC的基础上，增加了电流或电压的输出缓冲。过采样DAC则结合了数字滤波和过采样技术，能够以较低的硬件复杂度实现高分辨率的模拟输出。 选择合适的DAC同样需要考虑其关键性能指标，如分辨率（决定了输出模拟信号的精度）、转换速率（决定了DAC能够多快地响应数字输入的改变）、线性度（保证输出信号与输入信号之间严格的比例关系）、噪声和纹波（影响输出模拟信号的纯净度）等。例如，在视频输出领域，我们需要高分辨率、高转换速率的DAC来生成细腻逼真的图像；而在音频领域，我们则需要低噪声、高动态范围的DAC来保证纯净的音质。 ADC和DAC作为电子系统中的基础构件，其设计和性能直接影响到整个系统的质量和功能。从消费电子到工业控制，从通信系统到医疗设备，再到科学研究和军事应用，ADC和DAC的身影无处不在，它们默默地工作着，将我们生活的世界变得更加丰富多彩和智能化。深入理解这些转换器的原理、设计方法以及它们所面临的挑战，例如如何提高转换速度、降低功耗、减小尺寸、提升精度和抗干扰能力，是每一个从事电子工程和信号处理领域的专业人士所必须掌握的知识。它们是连接模拟与数字世界，实现信息交互与处理的不可或缺的基石。

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