20250929的学习笔记

ADC

1. 什么是 ADC？

ADC = Analog-to-Digital Converter（模数转换器）

功能：把连续变化的模拟电压 转换成离散的数字编码，以便 MCU/DSP/CPU 处理。

存在于几乎所有嵌入式/物联网/测量设备中，是连接"真实世界"与"数字世界"的桥梁。

2. 什么是 ADC 的基准电压（Vref）？

基准电压 = ADC 用来量化模拟输入的"标尺"。

数字输出 = (Vin / Vref) × (2^N − 1) ，其中 N 为分辨率。

要求：

低噪声、低温度漂移

通常用专用电压基准芯片（如 TL431、REF3030、ADR440）或高精度 LDO。

常见值：1.024 V、2.048 V、2.5 V、3.0 V、3.3 V、5.0 V。

注意：Vin 不得超过 Vref（多数器件 Vin ≤ Vref）。

3. ADC 工作原理（典型步骤）

1. 采样（Sample）

   • 通过采样/保持电路（S/H）把输入电压"冻结"一小段时间。

2. 量化（Quantize）

   • 把连续的采样电压与基准电压比较，分成 2^N 个等级。

3. 编码（Encode）

   • 将等级编号输出为 N 位二进制码。

4. 输出

   • 并行或串行接口把数字码送给处理器。

核心实现方式（不同 ADC 架构）

• 逐次逼近型（SAR）------ 速度快、中等精度、成本低 → MCU 内置主流。

• ΔΣ（Delta-Sigma）------ 高分辨率（16-24 bit）、高有效位数，速度较低 → 音频、测量。

• 闪存/并行（Flash）------ 超高速、低分辨率 → 射频采样、示波器前端。

• 流水线（Pipeline）------ 高速+中高分辨率 → 图像/通信基站。

4. ADC 分辨率

• 定义 ：能够输出的二进制位数（bit 数），决定最小可分辨电压（LSB）。

• LSB 电压 = Vref / 2^N

• 常见分辨率

  位 数	等级数	最小分辨（LSB, Vref=3.3 V 例）	典型场景
  8 bit	256	12.89 mV	玩具、简单传感器
  10 bit	1024	3.22 mV	早期 Arduino、STM32F1
  12 bit	4096	0.805 mV	当前主流 MCU（STM32F3/G4、GD32、ESP32-S3）
  14 bit	16384	0.201 mV	精密采集卡、电机控制
  16 bit	65536	50.3 µV	医疗、工业传感器
  18-24 bit	262k-16M	< 1 µV	音频、衡器、地震仪

• 分辨率↑ → 量化噪声↓，但转换时间↑、成本↑、对基准/布局/噪声更敏感。

5.计算电压例题

假设采用12位分辨率，基准电压为3.3v，量化结果为n时的实际电压应该如何计算？

量化公式（12 位，单端，0-Vref 范围）：

实际电压 = n × (Vref / 4096)

= n × (3.3 V / 4096)

≈ n × 0.805 664 mV

例：

n = 2048 → 2048 × 0.805 664 mV ≈ 1.650 V