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嵌入式基础 -- ADC（模数转换器，Analog to Digital Converter）

news 2025/7/18 14:30:17

以下是关于 ADC（模数转换器，Analog to Digital Converter） 的系统级详细培训内容，结合嵌入式硬件系统设计与调试经验，按模块知识点系统展开。

一、ADC 基础原理

1. ADC 的作用：

将连续的模拟电压信号（如传感器输出）转换为离散的数字信号供 MCU/NPU/SoC 使用。

2. 常见 ADC 参数定义：

参数	说明
分辨率（Resolution）	每次转换的位数，如 8-bit、12-bit、16-bit 等，决定了电压的最小分辨率（精度）
输入范围（Input Range）	支持的模拟电压范围，如 0~3.3V，或 -1V~1V（差分）
精度（Accuracy）	包括 INL（积分非线性）、DNL（微分非线性）、增益误差、偏置误差等
采样率（Sample Rate）	单位时间内的采样次数（如 1Msps 表示百万次/秒）
输入类型	单端输入 vs 差分输入
接口方式	并口、串口（SPI/I2C）、内置 MCU ADC

二、ADC 架构类型

1. 逐次逼近型（SAR ADC，Successive Approximation）

优点：中高速、功耗低、结构简单、广泛应用于 MCU 内置 ADC；
典型应用：电池电压采集、温湿度传感器、电机电流检测等；
分辨率：8~16bit；
采样率：几十 kHz 到数 Msps。

2. Σ-Δ ADC（Sigma-Delta ADC）

优点：高分辨率、抗噪能力强；
缺点：延迟高、响应慢；
典型应用：音频、精密测量仪表；
分辨率：16~24bit；
采样率：低至几十 kHz，适合慢变信号。

3. Flash ADC

优点：极高速（上 GHz），适合视频信号；
缺点：功耗大、成本高；
典型应用：高速通信、雷达系统；
分辨率：6~8bit；
采样率：>1Gsps。

三、嵌入式系统中 ADC 的应用

1. 常见应用场景

电压、电流检测（电源状态监控、电池电量检测）
温度传感器（NTC、PT100）
光/距离/气体传感器输出
按键输入电平电压判定（如电阻分压）
电机驱动中的霍尔电压、电流闭环控制

2. 常见接入方式

内部 ADC（MCU/SoC 集成）

使用 GPIO 配置为模拟输入；
配置 ADC 通道、分辨率、触发方式；
优点：成本低、资源集成；
注意事项：引脚旁路电容滤波、隔离噪声源。

外部 ADC（SPI/I2C 接口）

适合高精度、多通道、隔离应用；
需配合电平转换、电源隔离；
可选型号如：ADS1115（I2C 16bit）、ADS8681（SPI、16bit 500ksps）

四、硬件设计注意事项

1. 模拟信号链完整设计

项	推荐做法
输入保护	TVS + RC 滤波电路，抑制瞬态浪涌与高频干扰
滤波电容	在 ADC 输入前加低通滤波，如 RC 结构（R=1k, C=0.1uF）
参考电压	优选外部基准源（如 ADR431），确保稳定性
电源隔离	模拟部分推荐使用 LDO 供电，避免开关电源噪声耦合
接地策略	AGND 与 DGND 分开，最后单点接地（Star Ground）

2. 多路 ADC 通道设计

使用模拟多路复用器（如 CD4051）扩展；
或外置多通道 ADC 芯片，如 MCP3008（SPI 接口）；
避免输入切换过快，确保电压稳定后再采样。

五、软件配置与调试关键点（以 STM32 为例）

1. 初始化配置

// 以 STM32 HAL 为例
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
HAL_ADC_Start(&hadc1); // 启动 ADC
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
uint16_t value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  // 获取 ADC 数值

2. 定时采样 + DMA 模式

适合高速 ADC 通道连续采样，降低 CPU 负担：

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_buffer, BUFFER_SIZE);

3. 软件滤波算法建议

中值滤波：适合有脉冲干扰的信号；
滑动平均滤波：平滑慢变信号；
IIR 滤波器：实现一阶低通；
多点采样取最大值：适合检测电压峰值。

六、常见问题与调试技巧

问题	可能原因	建议
ADC 值抖动严重	模拟输入有干扰、电源不稳	加滤波电容、电源隔离、走线远离数字部分
采样结果不准	输入阻抗太高/采样时间太短	增大采样周期或前级加缓冲器（如运放）
转换错误	VREF 不稳或配置错误	确保参考电压一致，芯片参数匹配
通道错误	多路复用器切换不当	检查通道配置，切换延时足够

七、典型 ADC 芯片推荐

型号	通道数	接口	分辨率	特点
STM32 内部 ADC	1~24	内部	12~16bit	成本低，资源整合
ADS1115	4	I2C	16bit	高精度、可编程增益
MCP3008	8	SPI	10bit	成本低、树莓派常用
ADS8681	1	SPI	16bit	±10V 输入，工业级