硬件（十三）模拟转数字ADC转换

在嵌入式系统与信号处理领域，模拟信号与数字信号的转换是核心环节之一。温度、湿度、压力等物理量经传感器检测后，输出的往往是连续变化的模拟电压信号，而微控制器等数字电路仅能处理离散的数字码。ADC（模数转换器）正是连接这两个世界的 “桥梁”，其性能直接决定了信号采集与处理的精度。

一、ADC 核心定义：模拟与数字世界的 “翻译官”

ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）的本质功能，是将连续变化的模拟电压信号转换为离散的数字编码。这种转换能力使得自然界的物理量（如光照强度、声音波形）能够被数字电路识别、运算、存储和传输。

举个典型应用场景：温湿度传感器检测环境后输出 0-3.3V 的模拟电压，ADC 可将该电压转换为对应的 8 位、12 位等数字码（例如 0-255、0-4095），微控制器接收数字码后，再通过校准公式反推出实际的温湿度值 —— 这一过程的核心就是 ADC 的 “翻译” 作用。

二、ADC 核心参数 1：分辨率 —— 决定转换精度的 “标尺”

分辨率是衡量 ADC 转换精度的核心指标，直接决定了模拟信号被 “量化” 的精细程度，其单位为二进制位数（n 位）。

1. 分辨率的本质：量化电平的数量

ADC 会将参考电压范围内的模拟信号，划分为若干个离散的 “量化电平”，每个电平对应一个唯一的数字码。分辨率越高（n 值越大），量化电平数量越多，对模拟信号的描述就越细腻，转换误差也越小。

量化电平的数量与分辨率的关系为：量化电平数 = 2ⁿ
例如：8 位 ADC 有 2⁸=256 个量化电平，12 位 ADC 有 2¹²=4096 个量化电平。

2. 量化步长：最小可分辨电压

不同量化电平之间的电压间隔，被称为 “最小可分辨电压” 或 “量化步长”，是判断 ADC 能否识别微小电压变化的关键。其计算公式为：
ΔV = 参考电压（Vref） / 2ⁿ

举例说明：

若参考电压 Vref=5V，分别计算 8 位和 12 位 ADC 的量化步长：

• 8 位 ADC：ΔV = 5V / 2⁸ = 5V / 256 ≈ 19.53mV（即最小能识别约 19.5mV 的电压变化）
• 12 位 ADC：ΔV = 5V / 2¹² = 5V / 4096 ≈ 1.22mV（能识别更微小的 1.22mV 电压变化）

显然，相同参考电压下，分辨率越高，量化步长越小，转换精度越高。

3. 常见分辨率与应用场景

• 8 位：适用于精度要求较低的场景（如简单电平检测、LED 亮度调节）；
• 10-12 位：主流嵌入式场景（如普通传感器数据采集、电池电压监测）；
• 16 位：高精度场景（如工业仪表、医疗设备）；
• 24 位：超高精度场景（如实验室测量、精密传感）。

三、ADC 核心参数 2：参考电压 —— 转换的 “基准标尺”

参考电压（Vref）是 ADC 量化模拟信号的 “基准”，直接决定了 ADC 的输入电压测量范围（通常为 0~Vref），同时与分辨率共同影响转换精度。

1. 参考电压与数字码的对应关系

ADC 输出的数字码与输入模拟电压（Vin）的换算公式为：
Vin = (数字输出码 / (2ⁿ - 1)) × Vref

举例说明：

若 Vref=5V，8 位 ADC 输出数字码为 128，计算输入电压：
Vin = (128 / (256 - 1)) × 5V ≈ (128 / 255) × 5V ≈ 2.51V

2. 参考电压的选择原则

参考电压的精度直接影响 ADC 的转换结果：若 Vref 本身不稳定（如随温度漂移），即使分辨率再高，转换精度也会下降。因此实际应用中需根据需求选择：

• 普通场景：可使用微控制器内置的参考电压（如 3.3V、5V）；
• 高精度场景：需选用外置精密参考电压芯片（如 TL431），保证 Vref 的稳定性。

四、主流 ADC 架构：逐次逼近型 ADC（SAR-ADC）工作原理

ADC 的架构多样，其中逐次逼近型 ADC（SAR-ADC） 因兼顾速度、精度与成本，成为嵌入式系统中应用最广泛的类型（如 STM32、Arduino 的内置 ADC 多为此类）。其核心优势是 “高效比较”—— 仅需 n 次比较即可得到 n 位数字码，而非低效的 2ⁿ次遍历。

逐次逼近的工作流程

SAR-ADC 的核心由逐次逼近寄存器（SAR） 和DAC（数模转换器） 构成，工作过程类似 “天平称重”，从最高位到最低位逐步确定每一位的数值：

1. 初始化寄存器：将 SAR 的最高位（MSB）置为 1，其余位清零（例如 8 位 ADC 初始为 1000 0000）；
2. DAC 转换与比较：SAR 中的数字码经 DAC 转换为对应的 “比较电压（Vcmp）”，将该电压与输入模拟电压（Vin）送入比较器：
   • 若 Vin > Vcmp：说明当前位的 “1” 是合理的，保留该位为 1；
   • 若 Vin <Vcmp：说明当前位的 “1” 过大，将该位清零；
3. 逐位确认：移动到下一个次高位，重复步骤 2 的 “置位 - 转换 - 比较” 过程；
4. 输出结果：经过 n 次比较后，SAR 中保存的数字码即为最终的转换结果。

举例：3 位 SAR-ADC 的转换过程（Vref=8V，Vin=5.2V）

1. 初始 SAR=100 → DAC 输出 Vcmp=4V → 5.2V>4V → 保留最高位，SAR=100；
2. 次高位置 1 → SAR=110 → DAC 输出 Vcmp=6V → 5.2V<6V → 次高位清零，SAR=100；
3. 最低位置 1 → SAR=101 → DAC 输出 Vcmp=5V → 5.2V>5V → 保留最低位，SAR=101；
4. 最终输出数字码 101（对应 5V），与实际 5.2V 的误差为 0.2V（由分辨率决定）。

五、关键辅助电路：采样保持电路（S/H）的作用

ADC 的转换需要一定时间（转换时间），而输入的模拟信号可能在转换过程中持续变化（如声音波形、快速变化的传感器信号）。若直接对变化的信号转换，会导致 “孔径误差”—— 转换结果与实际信号值偏差。

采样保持电路（Sample & Hold, S/H） 正是解决这一问题的关键：

• 采样阶段：电路快速跟踪输入信号，在 “采样瞬间” 锁定当前电压值；
• 保持阶段：电路将锁定的电压值稳定输出，直至 ADC 转换完成；
• 核心效果：为 ADC 提供一个稳定的输入电压，彻底消除转换期间信号变化带来的误差。

总结

ADC 作为模拟与数字世界的核心接口，其性能由分辨率、参考电压等参数决定，而架构与辅助电路则影响转换效率与稳定性。逐次逼近型 ADC 凭借 “n 次比较得 n 位结果” 的高效特性，成为嵌入式场景的首选；采样保持电路则为动态信号的精准转换提供保障。