АЦП и ЦАП

Зачем нужны АЦП и ЦАП

Реальный мир аналоговый, а микроконтроллер цифровой. АЦП (аналого-цифровой преобразователь) превращает напряжение с датчика в число, ЦАП (цифро-аналоговый) — число в напряжение. Без них МК не смог бы измерять температуру, звук, ток или формировать аналоговые сигналы.

Ключевые параметры

• Разрядность — число бит (8/10/12/16); задаёт число уровней 2ⁿ и шаг квантования.
• Опорное напряжение (V_ref) — задаёт диапазон измерения; точность результата зависит от его стабильности.
• Частота дискретизации — сколько отсчётов в секунду; по теореме Котельникова должна быть не ниже удвоенной верхней частоты сигнала.
• Тип — в МК обычно АЦП последовательного приближения (SAR).

Шаг квантования = V_ref / 2ⁿ
Код = U_вх × 2ⁿ / V_ref

Пример: 10 бит, V_ref = 5 В → шаг ≈ 4,9 мВ

АЦП в микроконтроллере

Встроенный АЦП имеет мультиплексор на несколько входных каналов, регистр результата и может запускаться программно, по таймеру или в непрерывном режиме. Для точности вход согласуют по импедансу, стабилизируют опорное и усредняют несколько отсчётов. Результат — целое число, которое пересчитывают в физическую величину по формуле масштабирования.

ЦАП и ШИМ как ЦАП

Некоторые МК имеют встроенный ЦАП, но чаще аналоговый выход получают из ШИМ: прямоугольный сигнал со скважностью, пропущенный через RC-фильтр, даёт напряжение, пропорциональное скважности. Это дёшево и достаточно для управления яркостью, задания уровней, генерации звука.

Частые вопросы

Сколько бит АЦП нужно?

Зависит от требуемой точности: 8 бит (256 уровней) хватает для грубых измерений, 10–12 бит — для большинства датчиков, 16+ бит — для прецизионных задач. Больше бит — выше цена и жёстче требования к шумам и опорному.

Почему показания АЦП «шумят»?

Из-за наводок, нестабильного опорного и высокого сопротивления источника. Помогают развязка питания, усреднение отсчётов, стабильный V_ref и правильная разводка аналоговой земли.

Итоги

АЦП и ЦАП связывают цифровой МК с аналоговым миром. Главное — разрядность (шаг квантования), стабильное опорное напряжение и достаточная частота дискретизации. Там, где нет аппаратного ЦАП, его заменяет ШИM с RC-фильтром.

Смотрите также: ШИМ · ИКМ и оцифровка · Таймеры · AVR.