学习笔记——ADC（模数转换器）技术

ADC（模数转换器）技术详解

1. 什么是ADC？

ADC（Analog-to-Digital Converter）即模拟-数字转换器，是一种将连续变化的模拟信号转换为离散数字信号的电子设备或模块。

特性：

输入：连续模拟信号（通常是电压信号）
输出：离散数字信号（二进制代码）
作用：作为物理世界与数字系统（如微处理器、微控制器）之间的桥梁

典型应用场景：

传感器信号采集（温度、光照、压力等）
音频信号处理
工业测量与控制
医疗电子设备

2. 什么是ADC的基准电压？

基准电压是ADC进行转换的参考标准，决定了ADC的测量范围和精度。

关键概念：

ADC_VREFH：参考电压高电平（如i.MX6ULL中的ADC_VREFH引脚）
ADC_VREFL：参考电压低电平（通常接地）
测量范围：输入模拟电压必须在VREFL和VREFH之间

i.MX6ULL ADC参考电压配置：

[REFSEL] b12-b11：电压参考源选择 00 = 使用VREFH/VREFL引脚的外部参考电压

通常VREFH接3.3V，VREFL接GND（0V）
输入电压超过基准电压范围会导致结果饱和（全0或全1）

3. ADC的工作原理

基本转换过程（以逐次逼近型ADC为例）：

模拟信号 → 采样保持 → 量化 → 编码 → 数字输出

(1)采样（Sampling）

以固定时间间隔采集模拟信号的瞬时值
奈奎斯特采样定理：采样频率必须大于信号最高频率的2倍

(2)保持（Hold）

保持采样值稳定，便于ADC进行转换

i.MX6ULL配置选项：

[ADLSMP] b4：长采样时间配置 [ADSTS] b9-b8：采样时间选择

(3)量化（Quantization）

将连续幅度离散化
将采样值映射到最接近的离散电平
量化误差 = ±1/2 LSB

(4)编码（Encoding）

将量化后的电平转换为二进制代码

i.MX6ULL支持多种分辨率：

[MODE] b3-b2：转换模式选择（分辨率） 00 = 8位单端 01 = 10位单端 10 = 12位单端（常用） 11 = 10位差分

4. 什么是ADC的分辨率？

定义：

分辨率表示ADC能够区分的最小输入电压变化，通常用位数表示。

常见分辨率：

位数	量化级数	理论精度	应用场景
8位	256	0.39%	简单控制
10位	1024	0.098%	一般测量
12位	4096	0.024%	精密测量（i.MX6ULL支持）
14位	16384	0.0061%	高精度测量
16位	65536	0.0015%	专业仪器
24位	16.7M	0.000006%	高精度传感器

i.MX6ULL ADC分辨率配置：

// 配置为12位分辨率 ADCx_CFG |= (0x2 << 2); // MODE[3:2] = 10

5. 电压计算公式（12位分辨率，3.3V基准）

基本公式：

𝑉𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙=𝑛212×𝑉𝑟𝑒𝑓=𝑛4096×3.3𝑉Vactual=212n×Vref=4096n×3.3V

推导过程：

分辨率：12位 → 2¹² = 4096个量化级
每个LSB代表的电压：
𝐿𝑆𝐵=𝑉𝑟𝑒𝑓4096=3.3𝑉4096≈0.0008057𝑉≈0.806𝑚𝑉LSB=4096Vref=40963.3V≈0.0008057V≈0.806mV
实际电压计算：
𝑉𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙=𝑛×𝐿𝑆𝐵=𝑛×3.3𝑉4096Vactual=n×LSB=n×40963.3V

计算示例：

量化结果n	实际电压计算	电压值
0	0/4096 × 3.3V	0V
2048	2048/4096 × 3.3V	1.65V
4095	4095/4096 × 3.3V	≈3.2992V

代码实现：

// 将ADC原始值转换为电压值（12位分辨率，3.3V基准） float adc_to_voltage(uint16_t adc_value) { // 确保值在有效范围内 if (adc_value > 4095) adc_value = 4095; // 计算电压值 float voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4096.0f; return voltage; } // 示例：ADC读取值为2048时 uint16_t raw_value = 2048; // ADC原始数据 float voltage = adc_to_voltage(raw_value); // voltage ≈ 1.65V

i.MX6ULL ADC数据读取：

// 读取ADC转换结果（12位数据在低12位） uint16_t read_adc_value(void) { // 等待转换完成 while (!(ADC1_HS & 0x01)) { // 等待COCO0标志置位 } // 读取转换结果 uint16_t result = ADC1_R0 & 0x0FFF; // 取低12位 return result; }