通俗理解什么是ADC

Posted 2021-12-24 四臂西瓜

通俗理解什么是ADC

学懂，用熟练之后，从头介绍一些概念时，总是比较困难的。很难站在一个什么都不懂的角度去讲明白一个概念。

入之不深，则有浅易之病；出之不显，则有艰涩之患。 ——《湖楼笔谈》

文章目录

• • 通俗理解什么是ADC
  • • 什么是ADC
    • ADC的采样率
    • 采样位数
    • 采样精度

建议看完“什么是ADC”后，去实操ADC采集直流。实操结束后再往后看。

ADC实际没有这么的简单，深入了解需要去学各种寄存器之间如何协作，信号如何走通。这些概念在后面会有讲解。

什么是ADC

我们在高中物理学习时都了解过电压表，在生活中也都见过。红表头、黑表头分别去触碰待测电路两端，就可以测出来这段的分压。如果让黑表头去触碰电源的负极，那么测出来的就是红表头所在的地方的电压。

如果测试点是1V，电压表就显示1V，2V呢就显示2V。可以说他们有如下的对应关系

测试点电压	万用表显示的值
0.00V	0
1.65V	1.65
3.3V	3.3

于是我们有了概念：万用表是一种感知电压大小的器件。

ADC也是这样的器件。不过呢ADC不能显示小数，我们以STM32F1单片机12位ADC为例。他只能显示0-4095这些整数。

$$4095=(111111111111{)}_{二进制}=2^{12}-1$$，这就是12位ADC的含义。

那么ADC的电压对应关系就要改一改，没有像电压表一样一一对应。具体关系如下

测试点电压	ADC的测试值
0.00V	0
1.65V	2048
3.3V	4095

表1

这个关系如果写成如下公式。

掌握表1对应关系就可以，没必要背公式

$$ADC的返回值=\frac{待测电压}{3.3V}\ast 4095$$

比如我用ADC去测量1V的电压，那么ADC返回的数值是$$\frac{1}{3.3}\ast 4095=1241$$，当单片机收到ADC返回的1241，单片机就可以知道待测电压是1V了。

ADC的采样率

采样率这个概念需要在使用中去感受，这里就简单提下，在后续的文章中，我们会对他有更加准确的认识

之前我们都是在讨论用ADC去采集直流电压，比如一个稳定的1V。可是如果我们要采集的是一个在不断变化的信号呢？

比如采集1hz正弦信号。我们可以每1s采集一次，那么完全看不出这个信号的变化和波形；但如果我们每100ms采集一次呢，一个信号周期内就采集了10个点，可以大致看出这个信号的波形；如果我们每1ms，每1us采集一次呢？那么这个信号的波形就完全被我们知道了。

上面的1s，100ms，1us分别对应的是1 sps、10 sps、1M sps采样率。采样率表示的是ADC的采样速度。对于不同ADC，有自己的采样率上限的。比如STM32F103的单个ADC采样率支持1hz-1Mhz。

拿1M采样率去采集1K信号，一个周期有1000个点，效果非常好；但是如果1M去采集1M信号，这和每1s去采集一个1hz信号一样，一个周期1个点，根本看不出波形

常用单位：

​ $$m=10^{-3},u=10^{-6},n=10^{-9}$$

​ $$K=10^3,M=10^6,G=10^9$$

采样位数

这个对于初学者来说，可以忽略。当真的要临选择一款合适的ADC时，再来了解这个。先记住，采样位数越高，电压分辨能力越强（可以简单的认为测得越准）

（下面的讨论均默认采样位数=精度位数）

我们回看表1，一个可以测量0-3.3V的12位ADC。他有如下对于关系：

测试点电压	ADC的测试值
0.00V	0
1.65V	2048
…	…
3.3V	4095

相当于把0-3.3V等比例划分为了4096份，它的电压分辨能力是$$\frac{3.3}{4096}=0.0008V$$，这是一个什么概念呢？

因为ADC只能返回整数，我们测量0V，ADC返回的是0。我们测量0.0008V，ADC返回的是1。同理，测量0.008V，ADC返回的是10。可是如果我们测量0.0004V呢？他返回的是0，测试结果与测量0V时是一样的。

可以看到12位的ADC是没办法分辨0V和0.0004V，原因在于我们把0-3.3V分成了4096份，这个份数还不够多，要分成8192份。就可以分辨了。$$\frac{3.3}{8192}=0.0004V$$这样的话测量0V测到是0，测量0.0004V得到的是1。

测试点电压	ADC的测试值
0.00V	0
0.0004	1
…	…
1.65V	4096
…	…
3.3V	8191

上面所提到的4096和8192分别对应着12位ADC，13位ADC。因为$$2^{12}=4096,2^{13}=8192$$。

ADC位数反应的是电压的分辨能力。一个24位的ADC能非常灵敏的检测到12位ADC感应不到的电压变动。

采样精度

这个对于初学者来说，可以忽略。默认采样精度和ADC位数基本成正比就行，ADC位数越高，采集的电压越精确。虽然这样说是错的，但是目前阶段够用。——真理的相对性

这个概念经常和采样位数混淆。精度的概念需要有一定的实际操作后才能理解他的含义。

还是拿0-3.3V的12位ADC为例子。如果我们去测量80mv的信号，理论值应该是$$\frac{0.08}{3.3}\ast 4096=100$$，可是实际我们测量出来的是95-105波动的，这是因为实际上的ADC不是理想器件，他会有误差。一个12位的ADC虽说能分辨0.0008V的电压，但是他的波动电压有10mv，那么这个分辨能力也就失去了他测得准的意义。

因为测得的电压的波动。通常一个12位的ADC只能当作8-9位的理想ADC来用，8-9位就是ADC的采样精度。