在嵌入式系统中，ADC（模数转换器，Analog-to-Digital Converter）是一个至关重要的组件，它的主要作用是将模拟信号（如温度、光强、声音等）转换为数字信号，以便微处理器或数字系统进行处理。
ADC的基本原理
ADC将模拟信号（通常是一个连续变化的电压信号）转换为数字信号（离散的二进制值）。这个转换过程可以分为以下几个步骤：
- 采样：首先，ADC需要对输入的模拟信号进行采样，即在特定的时间点获取输入信号的值。这个采样过程涉及到信号的“离散化”，即每次采样获取的是一个特定时刻的电压值。
- 保持：采样后，ADC会将模拟信号的电压保持在一个电容上，这一过程叫做“保持”阶段。保持电压可以确保转换过程不会受到输入信号变化的影响。
- 量化：量化是将模拟信号的电压值映射到数字域。根据ADC的位数，将输入信号的电压范围划分为多个离散的区间，每个区间对应一个数字值。比如，8位ADC的数字范围是0
255，12位ADC的范围是04095。 - 编码：最后，ADC将量化后的信号值转换为二进制数字输出。该数字表示输入信号的离散值。
ADC的工作方式
| 工作模式 | 描述 | 应用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 单次转换模式 | 仅进行一次转换，转换完成后停止。通过触发信号启动。 | 需要偶尔采样的场景，如一次性测量温度、电压等。 | - 简单实现，硬件资源占用少。 - 低功耗，适合低能耗应用。 | - 不能连续采样，适用于非实时性、低频率采样需求。 - 采样间隔较长。 |
| 连续转换模式 | 持续进行转换，数据不断更新，直到被停止。 | 高频采样的应用，如实时监控、音频采集等。 | - 实时数据采集，适合需要高采样频率的应用。 - 可以连续获取数据，无需额外触发信号。 | - 高功耗，长时间运行时可能消耗大量电能。 - 占用更多系统资源，可能影响其他任务的执行。 |
| 扫描模式 | 依次对多个输入通道进行转换，适用于多个信号源的同时采样。 | 多通道数据采集应用，如传感器阵列采样、气体传感器等。 | - 可以同时采样多个通道，适合多输入信号应用。 - 有效利用ADC硬件资源，降低硬件成本。 | - 每个通道的转换时间较长，采样间隔会增加。 - 可能导致整体采样频率较低。 |
| 触发模式 | 外部触发信号启动转换（定时器、中断、外部引脚等）。 | 需要在特定时刻或条件下采样的数据，如事件驱动采样或周期性采样。 | - 通过外部信号精确控制采样时机，提高灵活性。 - 只在需要时进行采样，降低无效采样次数。 | - 需要外部触发信号，增加系统复杂性。 - 可能会导致采样不稳定或对外部信号过于依赖。 |
| 差分输入模式 | 同时采样两个输入信号并返回它们的差值。 | 差分信号处理应用，如差分放大器输出、传感器的差分信号采样。 | - 减少共模噪声，提高测量精度。 - 提供更高的信号对噪声比，适用于微弱信号的测量。 | - 需要额外的硬件支持，如差分放大器。 - 实现相对复杂，电路设计较为复杂。 |
| 单端输入模式 | 仅采样单一输入信号，通常参考地（GND）。 | 简单的单信号采样，如电池电压、传感器输出等。 | - 实现简单，硬件要求低，成本较低。 - 适用于大多数基础测量应用。 | - 对地噪声敏感，容易受到环境干扰。 - 对低信号精度要求的应用可能导致测量误差较大。 |
ADC数据对齐
在ADC数据转换过程中，结果数据在寄存器或内存中的存储方式。
| 数据对齐方式 | 描述 | 应用场景 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|
| 左对齐（Left Alignment） | 将数据的高位（MSB）存储在寄存器的高位，低位（LSB）存储在寄存器的低位。 | 适用于需要高精度位移或进一步数据处理的场景，如高精度测量或多次数据处理。 | - 数据对齐更加精确，适合高精度应用。 - 便于后续的位操作，如位移、掩码等。 | - 可能会浪费寄存器的低位，尤其是在数据较短时。 - 处理器或硬件可能需要额外的支持。 |
| 右对齐（Right Alignment） | 将数据的低位（LSB）存储在寄存器的低位，高位（MSB）存储在寄存器的高位。 | 适用于数据后续需要与其他较低精度数据结合的应用场景，如数字滤波器输出、数据组合。 | - 更适合低精度数据的存储和处理。 - 使用简单，适合数据集成和直接读取。 | - 可能导致高位数据丢失，特别是在高精度应用中。 - 对数据处理要求较高时，可能需要进行位移处理。 |
ADC的分辨率与精度
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分辨率（Resolution）：
ADC的分辨率决定了输出数字的位数，也即转换精度。例如，8位ADC能够提供0255的数字输出，12位ADC提供04095的数字输出。分辨率越高，ADC能表示的电压变化就越精细，精度更高。 -
参考电压（V_ref）： ADC的转换精度与参考电压密切相关。假设ADC是12位，参考电压是3.3V，那么最小的电压分辨率就是 ，即每次数字增量对应的电压值。参考电压的稳定性和准确性直接影响ADC的转换精度。
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量化误差：由于ADC是离散化过程，原始模拟信号的真实值与转换结果之间会存在误差，这个误差叫做量化误差。量化误差的大小与ADC的分辨率相关，高分辨率的ADC能更精确地逼近模拟信号的真实值。
10位ADC与8位ADC的关系
- 10位ADC的精度是8位ADC的10倍。
- 10位ADC转换为8位应取其低8位
采样率与带宽
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采样率：
采样率指ADC每秒钟可以采样的次数，通常以S/s（Samples per second）来表示。采样率决定了ADC的响应速度和频率带宽。较高的采样率适用于快速变化的模拟信号，但也会增加处理器的负担。 -
奈奎斯特定理：
为了避免混叠现象（aliasing），采样率必须至少是输入信号最高频率的两倍。因此，如果信号频率高于采样率的一半，会出现信息丢失或失真。
ADC的输入类型
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单端输入（Single-ended Input）： 单端输入是最常见的ADC输入类型，其中信号源的电压与地之间的电压差作为输入信号。输入信号通过一个电压参考和地之间的电压差来转换为数字值。
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差分输入（Differential Input）： 在差分输入模式下，ADC同时测量两个输入端之间的电压差。这种方式通常具有更高的抗干扰能力，并且能在噪声较大的环境中提供更精确的信号测量。
ADC的性能指标
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线性度（Linearity）：
ADC的线性度指ADC转换结果与输入信号之间的关系是否线性。如果ADC的输出与输入之间有误差，就会影响测量精度。理想情况下，ADC的输出应该与输入电压成线性关系。 -
转换时间（Conversion Time）：
转换时间是指从ADC开始转换到输出结果稳定所需的时间。此时间由ADC的分辨率和工作模式决定。 -
信噪比（SNR）：
信噪比是描述ADC转换结果中有用信号与噪声的比例。较高的SNR意味着ADC能够更好地分辨真实信号，而不是受到噪声的干扰。
嵌入式中ADC的应用
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传感器数据采集：
ADC在嵌入式系统中的应用最广泛的是传感器数据采集，例如温度传感器、压力传感器、光传感器等。这些传感器通常提供模拟信号，必须通过ADC将信号转化为数字数据供处理器使用。 -
音频处理：
在音频信号处理中，ADC用于将模拟音频信号转换为数字信号。由于音频信号的频率范围较宽，因此需要较高的采样率和分辨率。 -
电池电量监控：
ADC常用于电池电压监测。通过测量电池电压的模拟信号，ADC可以将其转换为数字信号，供系统评估电池电量。
ADC的控制与配置
在嵌入式系统中，ADC通常由微控制器（MCU）控制。在STM32等嵌入式平台上，ADC的配置包括：
- 选择输入通道：选择哪个输入引脚连接到ADC模块。
- 配置分辨率和采样时间：选择ADC的分辨率（例如12位、10位）和采样时间。
- 启用ADC：配置ADC的工作模式（单次转换或连续转换）。
- 启动转换并读取数据：在ADC启动后，读取转换结果。
例如，在STM32中，配置ADC通常涉及设置寄存器，如ADC_CR1（控制寄存器）、ADC_SQR1（采样序列寄存器）等。
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逐次逼近法
二分确定电压值，从高位开始依次与结果比较，依次确定每一位bit值得到比较结果。
STM32
16个外部转换通道。