什么是模数转换 (ADC)？

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什么是模数转换 (ADC)？
模数转换 (ADC) 是一种电子过程，在该过程中，连续可变或模拟信号在不改变其基本内容的情况下变为多级数字信号。

模数转换器将时间和幅度连续的模拟信号转换为时间和幅度离散的数字信号。转换器的模拟输入由一个在理论上无限数量的值之间变化的电压组成。例子是正弦波，代表人类语音的波形和来自传统电视摄像机的信号。

模数转换器的输出具有定义的电平或状态。状态数几乎总是2的幂——即2、4、8、16等。最简单的数字信号只有两种状态，称为二进制。所有整数都可以二进制形式表示为由 1 和 0 组成的字符串。
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" `/ K& z9 F" [$ p0 ]" b0 C数字转换器工作原理图
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5 |# s$ C+ D- ?0 N模数转换将连续的模拟信号变为离散的数字信号。
为什么数字化很重要？
; e: u6 @: a- G数字信号比模拟信号传播更有效，这主要是因为数字脉冲定义明确且有序。它们也更容易让电子电路与杂乱无章的噪音区分开来。这是数字通信模式的主要优势。
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8 C, g: f: |) Y8 f# A& X+ F计算机根据二进制数字数据“交谈”和“思考”。虽然微处理器可以分析模拟数据，但必须将其转换为数字形式才能让计算机理解。

- [9 m) f/ k% O9 h典型的电话调制解调器利用 ADC 将来自双绞线的传入音频转换为计算机可以理解的信号。在数字信号处理系统中，如果输入信号是模拟信号，则需要模数转换器。
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5 A7 e7 k/ C/ \0 f& s什么是奈奎斯特定理，为什么它很重要？
( i% S$ Y. }# R6 w: P1 h# H5 u奈奎斯特定理或采样定理描述了模数转换。它可以再现纯正弦波测量，也称为采样率。
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人们体验世界的方式大多是模拟的；想想声波和光波。要将这些信号用于计算，必须将它们转换为数字信号。然而，数字电子产品以离散数字工作。要将模拟信号转换为数字信号，必须以固定频率对测量值进行采样。采样率必须至少是其频率的两倍。这种方法用于数字音频和视频以减少混叠或错误频率的产生。

. [! Z/ e2 r: M9 Q太低的采样率无法准确描述原始信号；复制时会失真或有锯齿。过高的速率将使用不必要的更多存储和处理资源。
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& H! E% e! H0 ~  G! z奈奎斯特定理用于定位收集正确信息量的点。该定理的其他名称是 Nyquist-Shannon 定理或 Whittaker-Nyquist-Shannon 采样定理。
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, K3 }0 X' ]; I奈奎斯特定理的工作原理
9 ?, ]# E5 s8 \7 t' O: U模拟信号频率以赫兹为单位测量。它们的频率描述了它们在一秒钟内上升和下降的次数。电气工程师和数学家克劳德·香农 (Claude Shannon ) 对该定理的解释如下：“如果函数 x(t) 不包含高于 B 赫兹的频率，则完全可以通过在一系列间隔 1/(2B) 秒的点处给出其纵坐标来确定它。 “

要正确再现信号，采样率必须是最高频率的两倍。

为了展示这是如何工作的，想象一下地球上的一个传感器负责测量天空的亮度。它每天测量一次，每 24 小时测量一次。来自该传感器的数据会使研究人员错误地认为天空全天保持恒定亮度。如果改变实验，使测量间隔 18 小时，它会产生同样不准确的数据，在全日光、完全黑暗和一些昏暗的光线之间随机交替。
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然而，让传感器每 12 小时进行一次测量，结果描绘了地球在 24 小时内的昼夜循环。要准确测量地球的 24 小时自转，必须至少以其速率的两倍进行测量，即 12 小时间隔。

& x. J8 b  M8 }9 ]/ X模数转换的重要性
ADC 在现代技术发展中发挥的关键作用是语音通信系统从旧式模拟信号处理到今天的 IP 语音或VoIP系统的演变。从 50 年代到 70 年代，电话系统无法直接与计算机通信。调制解调器的出现使之成为可能，但它们并不总是具有成本效益。

* @2 z  ^  @7 o, F) |$ O* |对于计算机输入设备，如电传打字机，要与计算机系统通信，它们必须连接到调制解调器，调制解调器连接到计算机系统的前端，如大型机。与今天的超高速网络相比，调制解调器的传输速度很慢。1960 年代和 1970 年代的快速调制解调器为计算机提供了每秒 2,400 位的吞吐量。相比之下，今天的系统以千兆位速度运行。

ADC 技术成为开发数字专用小交换机或PBX系统以及小型办公应用系统的关键。这些系统使用全数字交换架构，嵌入电话机中的 ADC 单元——有时在交换机本身内——将模拟语音信号转换为数字交换机可以处理的数字比特流。
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/ f0 R" R7 z8 M, m9 }4 G相反，当语音呼叫传递给另一个用户时，使用相反的过程。数模转换器或 DAC 将来自开关的数字代码转换为可听模拟信号。这个模型在 50 多年后的今天仍在使用。ADC 技术还用于将视频信号处理成数字比特流，以便通过语音通信传输视觉图像。
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模数转换的未来
除非物理学发生量子变化，否则产生 ADC 单元可以采样的正弦波的可听声音的性质不会改变。因此，ADC 技术很可能会嵌入到未来很长一段时间内的所有类型的计算设备中。ADC 可能是上个世纪最重要的技术进步之一。