一、ADC采样通道
最常见的ADC有两种：
- ++逐次逼近型SAR-ADC++：这是我们最常见的8位/12位ADC，特点是转换速度快，适合消费类电子、小家电、充电器、个人护理等产品。
- ++∑-Δ型ADC++：通常为24位高分辨率ADC，特点是精度高、噪声低，适合充气泵、额温枪、 体重秤等产品。
尽管"逐次逼近型SAR-ADC"、"∑-Δ型ADC"听起来很复杂，但请不必担心，本文不会深入复杂的芯片设计原理，而是聚焦于如何高效使用它们。
我们以12位ADC作为讲解对象，因为它是目前应用最广泛的类型，理解了它的使用，再学习其他类型的ADC就会事半功倍。
由于ADC涉及的概念较多，我们将分多次讲解，主要内容包括：采样通道、参考电压、分辨率、精度/误差、滤波等。
ADC操作流程
采样通道
如上图，ADC的采样通道分为"内部通道"、"外部通道"。通过配置相应的寄存器选择通道，即可实现对模拟信号的采集。
外部通道，通常直接连接到MCU的GPIO，如上图中的ANx。
内部通道，不占用外部引脚，在许多应用中能简化设计并提升可靠性
- ++内部通道++ ++-VDD++：锂电池供电的应用上最为常见，可以直接将锂电池接在MCU的VDD端口，然后通过这个内部通道读取电池电压，从而省去一个额外的外部电阻分压网络和IO口，实现电池电压测量。
这里会存在另外一个问题：在VDD增加RC滤波的电路中，VDD端的电压实际比BAT要低一些，那么VDD采集电池电压如何更准确呢？
若需深入探讨，可以留言或在公众号发送信息。
- ++内部通道-GND++：ADC的参考电压实际有2个，一个是大家常说的"参考电压"，另外一个是容易忽略的"GND"。如果ADC以不稳定的GND为参考，采集到的电压就会有误差，这就是所谓的"零点偏移"（也就是我们常说的Offset）。零点校准可以消除offset，实际上是通过内部通道GND的采样消除。
- ++内部通道-Vref++ ：你可能会疑惑，参考电压怎么自己也能被测量？将会在"ADC-参考电压"给出答案。
通道切换
大部分应用都会使用多个ADC通道，那么在切换通道之后，需要等待多长时间，采集的数据才准确？估计很多工程师都有这个疑问。
其实，这和电路外围有关。核心原因在于外部电压需要对ADC内部的采样电容充电。如果外部阻抗比较大，达到目标电压的时间就会变长。如果在这种情况下，切换通道之后直接采集，那么采集到的值往往是不准的。也就是下图电压U以下时的采集。
电容充电曲线
一般来说，ADC的输入阻抗在用户手册的电气特性章节会给出一个最大值，并且它会和采样时间的设置相互关联，以此来判断需要多久延时。
当然，有些用户手册会提供延时说明。如果手册没有明确标注，那么在实际操作时，建议直接舍弃前1到2次的采样值。这个"舍弃"动作，本质上就是一个延时等待的过程，让信号充分稳定。
而对于切换到内部通道（比如VDD、Vref），通常不需要额外延时。
二、ADC参考电压(一)
文章关键总结
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测量的电压需低于参考电压
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重要公式和LSB
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结合应用介绍典型参考电压：1.2V、2V
参考电压
假设你有一把最大量程为 2米 的身高尺，它可以轻松测量低于2米的身高，但如果遇到超过2米的人，这把尺子就无法测量了。这里的 "2米 " 相当于ADC（模数转换器）中的 参考电压 ------它决定了ADC能够测量的电压上限。
因此，实际需要测量的电压必须 低于参考电压 ，否则转换结果将不准确或溢出。
常见的ADC参考电压有以下几种类型：
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内部1.2V
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内部2V
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内部2.048V
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VDD（芯片供电电压）
具体支持哪一种或哪几种，需参考原厂的数据手册。不同厂商的芯片可能只提供其中一种参考电压选项，因此在芯片选型时，务必结合实际测量范围的需求，重点关注这一参数。
重要公式
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转换电压 ：输入到ADC采样通道的实际电压值，可查看" MCU之采样通道"
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AD值 ：ADC完成转换后的数值，通常在用户手册的寄存器描述中查看格式与范围
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参考电压 ：即本次重点介绍的基准电压
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4096 ：对应 12位ADC 的分辨率，即 2¹²，若为 8位ADC ，则该数值为 2⁸= 256
举例来说，在12位ADC中，若参考电压为2.048V，采集到的AD值为2048，则实际电压为：
重要单位：LSB
LSB，最低有效位。这个听起来有些拗口的专业名词，其实代表了ADC能识别的最小电压变化。
以一个参考电压为 2V 的 12位ADC 为例：
1 LSB = 2 / 4096 ≈ 0.00048828
这个数值有两层含义：
-
在理想情况下（不考虑误差），这是ADC能够测量的 最小电压单位 ；
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ADC输出的两个相邻数字值(例如1000和1001)所对应的实际电压 差值 。
内部参考电压：1.2V和2V
如果要采集的电压低于0.48828mV怎么办呢，我们可以选择更低的参考电压，如1.2V。
参考电压为 1.2V 的 12位ADC，1 LSB = 1.2 / 4096 ≈ 0.00029297
内部参考电压1.2V和2V，是我们在设计方案时最常用的参考电压。
举一个实际应用：TWS充电仓
在TWS充电仓的设计中，通常需要检测一个非常微小的电流，用以判断耳机是否充满。例如，某些产品要求电流在5mA～8mA时关断充电。我们以7mA的关断电流、搭配1Ω采样电阻为例，此时采样电阻上的电压为7mV。
我们结合ADC公式，来具体对比使用内部1.2V和2V参考电压的差异：
|-----|------------|---|-----|------------|
| 内部参考电压2V || | 内部参考电压1.2V ||
| AD值 | 转换电压 mV | | AD值 | 转换电压 mV |
| 12 | 5.859375 | | 22 | 6.4453125 |
| 13 | 6.34765625 | | 23 | 6.73828125 |
| 14 | 6.8359375 | | 24 | 7.03125 |
| 15 | 7.32421875 | | 25 | 7.32421875 |
| 16 | 7.8125 | | 26 | 7.6171875 |
由上述表格可看出，在不考虑其他误差的情况下，对于7mV检测点，使用内部1.2V参考电压确实比2V具有更高的理论精度。同样采集5个数值，1.2V参考电压所对应的"转换电压"范围也更小，这意味着测量结果更加集中。
尽管在小电流检测的场景中，1.2V在参数上优于2V，但在实际项目里，内部2V参考电压通常是完全足够的。这是因为被采集的电流信号本身很小，设计时通常会预留足够的余量，且整个电路工作环境相对平稳。此外，许多MCU的ADC模块具备偏移校准/零点校准功能，可进一步保证测量准确性。因此，在实际产品应用中，1.2V和2V参考电压之间的差异通常并不明显。
由于篇幅所限，关于ADC参考电压的其他重要内容，我们将在下一篇文章中继续讲解，包括： 参考电压VDD、切换参考电压、参考电压的妙用 。
*三、*ADC参考电压(二)
文章关键总结
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结合应用介绍参考电压：VDD
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切换参考电压的延时及妙用
参考电压：VDD
使用参考电压VDD的典型应用：NTC温度采集、MOS驱动电路的短路/过流检测。
我们以 NTC温度采集 为例，下图是等效电路图
待测点的电压是
我们具体推算一下 VDD 和 内部2V 这两类参考电压，就能直观地判断哪种更合适。
- 参考电压VDD
- 参考电压2V
这2种的差异：使用 VDD作为参考电压 ，其计算公式中的 VDD 会自然抵消，使得结果与电源绝对值无关。
而使用 内部2V参考电压 ，必须已知VDD的精确电压，才能反推回 NTC 的阻值。
在电动牙刷、电推剪、便携式榨汁机、电子烟等产品的短路/过流检测中，常采用 VDD作为ADC参考电压。其检测原理与NTC温度采集类似，通过判断采样点电压是否超阈值来实现保护。
若需深入探讨，可以留言或在公众号发送信息。
切换参考电压
ADC参考电压切换后需等待稳定，但不同切换方向的稳定时间不同：
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内部参考→VDD：稳定时间极短，通常可忽略
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VDD→内部参考：需要一定稳定时间
原因：VDD由外部电容支撑，持续稳定；内部参考电压在未使用时可能关闭，重新启用需要启动和稳定时间。
具体延时请以芯片数据手册为准，必要时可通过实测或咨询原厂确定最佳值。
零延时切换是技术趋势，因此即便是同一厂商，其新旧产品在性能上也会有差异。
参考电压的妙用
在"MCU之采样通道"一文中我们提到，当采样通道选择 内部参考电压Vref ，且 参考电压源选择VDD 时，由于Vref是固定值(如2V)，此时ADC的读数直接反映了VDD的电压大小，如下公式：
有些芯片的采样通道支持 VDD/4 ，如下公式：
在需 快速交替采集 电池电压(**用VDD作基准)**和供电电流(用内部基准Vref)的应用场景中，参考电压切换带来的延时可能无法满足实时性要求。
对此，有两种解决方案：
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若MCU支持将内部基准电压Vref配置为 ADC采样通道 （而非基准源），则可直接测量其电压，避免切换延时；
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若芯片本身的参考电压切换速度极快，也可直接使用。
四、AD时钟、采样与转换时间
ADC在配置并启动后，会自动执行 采样与转换 两个步骤。通常只需等待转换完成，读取结果即可。不过，不同MCU厂商通常会提供诸如AD时钟配置、采样时间选择等参数供调整。常见的程序处理方式是循环等待转换完成，这段时间即为采样与转换所需的总时间。
本文将以AD时钟、采样及转换时间为重点展开说明。
AD时钟
采样与转换的时间基于AD时钟，不同MCU厂商对AD时钟的称呼可能不同，例如中微称其为TAD，晟矽和应广则称为ADCLK。AD时钟通常由内部高频时钟分频得到。对于采用RISC内核的MCU，AD时钟频率多集中在1MHz、500kHz和250kHz；而基于51内核的MCU，其AD时钟通常更快，常见有4MHz、8MHz、12MHz和16MHz。
尽管部分用户手册支持选择更高的AD时钟频率，但在实际应用中，其表现会受到参考电压、工作电压等条件的限制。
根据中微某产品的建议（如下图），在锂电池供电条件下：
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当参考电压为VDD时，AD时钟需设为 FHSI / 32 = 16M / 32 = 500KHz
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当参考电压为2V时，AD时钟需设为 FHSI / 128 = 16M / 128 = 125KHz
如下图晟矽某产品的建议，其AD时钟可根据参考电压进行配置，最高频率为2MHz或1MHz：
RISC内核的采样/转换时间
我们以最常用的500kHz的AD时钟为例，说明从启动ADC到获取数值的总时间计算。ADC工作包含"采样"与"转换"两个阶段，总时间为二者之和，该时间需结合AD时钟计算。
各厂商的表述方式不同：例如中微、应广、十速等厂商的用户手册中，常用"转换时间"来指代整个过程的耗时。如前文展示的中微表格就列出了不同配置下的转换时间：
十速则在电气特性中给出答案
与之前厂商不同，晟矽将总时间明确划分为可配置的采样时间与固定的12个AD时钟转换时间。因此，总时间 = (采样时间 + 12) / AD时钟频率。
以某产品为例：AD时钟为500kHz，若设置采样时间为8个时钟周期，则总时间为 (8 + 12) / 500kHz = 40μs。
好了，现在你已清楚如何计算时序。但随之而来的问题是：我们为何要深究？直接使用厂商的Democode是不是就行了？
五、MCU方案不稳定？先看看ADC"磨蹭"了多久
在上一篇MCU之AD时钟、采样与转换时间中，我们探讨了"++AD时钟++ "与"++RISC内核的采样/转换时间++"，相信不少读者心中可能会浮现出这样几个疑问：
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8位机的采样/转换时间为何能达到几十us这么长？
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文中提到"RISC内核"，那8051内核的情况又如何呢？
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我们为什么要特别关注ADC的采样/转换时间？
8051内核的采样/转换时间
在8051内核产品的电气特性中，单次ADC的采样/转换时间，通常以"采样率"或"转换率"来表示。
中微CMS8S6990C
晟矽MC51F7084
采样率/转换率的单位是sps，即"每秒采样次数"。
例如，若采样/转换率为 1 Msps，则单次 ADC 采样转换时间为 1 μs；若转换率为 500 Ksps，则单次时间为 2 μs。与上一篇文章提到的RISC内核几十us的采样转换时间相比，8051内核的速度明显更快。
需要注意的是，电气特性中标注的采样率/转换率通常是最大值，实际使用时应当根据具体应用需求选择合适的数值。
我们为何要关注采样/转换时间呢
在大多数简单应用中，工程师通常只需参照例程编写代码，此时大家更关注的是ADC的采样结果的准确性。
但对于时间要求较高的场景，例如电子烟、无刷电机驱动、便携式榨汁机等，ADC的采样/转换时间就显得尤为关键。这类应用往往需要快速做出响应，比如在短路时必须在规定时间内关闭MOS输出。以电子烟为例，通常要求在短路发生后50μs内关闭MOS。虽然大家可能会首先想到使用比较器，但该领域中的高手往往会借助ADC来实现这一保护。在如此短的时间内，如果单次采样时间过长，且未做滤波处理，就极易导致误判。因此，AD时钟和采样/转换时间是这类应用中至关重要的参数。
从程序实现的角度来看，若将ADC放置在中断中执行，就必须考虑定时器的中断配置。假设ADC采样/转换时间为40 μs，而定时器中断周期为50 μs，那么中断频率会非常高，导致主程序运行效率大幅下降。如果定时器中断周期设为30 μs（小于ADC转换时间），则主程序将完全无法执行，这样的定时器配置也就失去了意义。
此外，如果系统中ADC通道较多，且每个通道需要多次采样，工程需若不清楚采样/转换时间的计算，就可能影响采用 时间片轮询法 编写的代码，导致各时间片的时序发生偏差。
最后，ADC采样往往需要与PWM模块配合工作。若两者能够实现最佳配置，采样到的数据就会更加稳定、准确。这也解释了为什么使用相同的产品和相同的MCU，有些人设计的系统更加稳定可靠。
六、MCU之ADC分辨率、误差、精度、有效位
ADC最核心的竞争力和最容易混淆的几个概念：分辨率、误差、精度、有效位。
分辨率
想象一下家里的空调：有的空调支持0.5℃一档加减，有的则是1℃一档。这0.5℃和1℃就是分辨率。
对于ADC来说：
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24-bit分辨率：则切割成了 16,777,216 份（2的24次方）
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12-bit分辨率：将参考电压切割成4096份（2的12次方）
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8-bit分辨率：将参考电压切割成256份（2的8次方）
误区提醒：分辨率高，并不代表测量一定准。就像一把尺子刻度画得再细（分辨率高），如果尺子本身受热缩短了，量出来的长度依然是错的。所以，分辨率通常只代表ADC的"理论位数"。
误差与精度
举个例子：
在一个恒温25.0℃的实验室里，你用两个温度计测量：
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B显示26.0℃，误差为1.0℃（误差4.0%）。
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A显示25.2℃，误差为0.2℃（误差0.8%）；
显然，A的精度比B高。
在实际电路中，ADC采集的误差 = ADC模块固有误差 + 外部电路误差。如果用MCU采集NTC热敏电阻的电压，最终发现偏差很大，这不一定是ADC的锅。外部分压电阻的精度（1%或5%）、参考电压的漂移、甚至PCB走线的干扰，都会叠加在最终结果上。
有效位
一个12位分辨率的ADC，但实际用起来，可能只有9位是稳的。
假设使用2V的参考电压，测量一个恒定的1V信号，理论ADC值应该是2048（二进制：1000 0000 0000）。
但在实际读取时，你发现最后3位一直在跳动（000~111之间随机乱变）。这意味着这最后3位是"无效"的，受噪声影响无法信任。
这时，原本12位的分辨率，扣除掉3位波动，有效位就只有9位。
这波动的3位对应约4mV的电压偏差。在普通电池电压检测中，4mV可能不算什么；但在TWS耳机充电仓检测"充满关断电流"这种微弱信号时，4mV的波动可能误判。
如下是中微SC8F076和芯圣HC18M30xF的用户手册，中微标注在选择内部参考电压时，有效位是8位；芯圣的典型值是10位。并非所有的用户手册都会标注有效位。
通过前面的对比，我们不难发现：ADC误差才是决定测量"准不准"与"稳不稳"的核心。既然误差如此关键，那它究竟是从哪儿来的？在接下来的系列文章中，我将带大家拆解 ADC 误差的来源。我们不仅会分析 ADC 本身的增益误差、偏移误差，还会涉及那些听起来让人头大的**积分非线性误差（INL）、微分非线性误差（DNL）**等等。我会延续通俗易懂的风格，带你攻克这些晦涩的专业名词。