以下是关于 ADC（模数转换器，Analog to Digital Converter） 的系统级详细培训内容，结合嵌入式硬件系统设计与调试经验，按模块知识点系统展开。
一、ADC 基础原理
1. ADC 的作用：
将连续的模拟电压信号（如传感器输出）转换为离散的数字信号供 MCU/NPU/SoC 使用。
2. 常见 ADC 参数定义：
| 参数 | 说明 |
|---|
| 分辨率（Resolution） | 每次转换的位数，如 8-bit、12-bit、16-bit 等，决定了电压的最小分辨率（精度） |
| 输入范围（Input Range） | 支持的模拟电压范围，如 0~3.3V，或 -1V~1V（差分） |
| 精度（Accuracy） | 包括 INL（积分非线性）、DNL（微分非线性）、增益误差、偏置误差等 |
| 采样率（Sample Rate） | 单位时间内的采样次数（如 1Msps 表示百万次/秒） |
| 输入类型 | 单端输入 vs 差分输入 |
| 接口方式 | 并口、串口（SPI/I2C）、内置 MCU ADC |
二、ADC 架构类型
1. 逐次逼近型（SAR ADC，Successive Approximation）
- 优点：中高速、功耗低、结构简单、广泛应用于 MCU 内置 ADC；
- 典型应用：电池电压采集、温湿度传感器、电机电流检测等；
- 分辨率：8~16bit；
- 采样率：几十 kHz 到数 Msps。
2. Σ-Δ ADC（Sigma-Delta ADC）
- 优点：高分辨率、抗噪能力强；
- 缺点：延迟高、响应慢；
- 典型应用：音频、精密测量仪表；
- 分辨率：16~24bit；
- 采样率：低至几十 kHz，适合慢变信号。
3. Flash ADC
- 优点：极高速（上 GHz），适合视频信号；
- 缺点：功耗大、成本高；
- 典型应用：高速通信、雷达系统；
- 分辨率：6~8bit；
- 采样率：>1Gsps。
三、嵌入式系统中 ADC 的应用
1. 常见应用场景
- 电压、电流检测（电源状态监控、电池电量检测）
- 温度传感器（NTC、PT100）
- 光/距离/气体传感器输出
- 按键输入电平电压判定（如电阻分压）
- 电机驱动中的霍尔电压、电流闭环控制
2. 常见接入方式
内部 ADC（MCU/SoC 集成）
- 使用 GPIO 配置为模拟输入；
- 配置 ADC 通道、分辨率、触发方式；
- 优点：成本低、资源集成；
- 注意事项：引脚旁路电容滤波、隔离噪声源。
外部 ADC（SPI/I2C 接口）
- 适合高精度、多通道、隔离应用；
- 需配合电平转换、电源隔离；
- 可选型号如：ADS1115（I2C 16bit）、ADS8681（SPI、16bit 500ksps）
四、硬件设计注意事项
1. 模拟信号链完整设计
| 项 | 推荐做法 |
|---|
| 输入保护 | TVS + RC 滤波电路，抑制瞬态浪涌与高频干扰 |
| 滤波电容 | 在 ADC 输入前加低通滤波，如 RC 结构（R=1k, C=0.1uF） |
| 参考电压 | 优选外部基准源（如 ADR431），确保稳定性 |
| 电源隔离 | 模拟部分推荐使用 LDO 供电，避免开关电源噪声耦合 |
| 接地策略 | AGND 与 DGND 分开，最后单点接地（Star Ground） |
2. 多路 ADC 通道设计
- 使用模拟多路复用器（如 CD4051）扩展；
- 或外置多通道 ADC 芯片，如 MCP3008（SPI 接口）；
- 避免输入切换过快，确保电压稳定后再采样。
五、软件配置与调试关键点（以 STM32 为例）
1. 初始化配置
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
uint16_t value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
2. 定时采样 + DMA 模式
适合高速 ADC 通道连续采样，降低 CPU 负担：
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_buffer, BUFFER_SIZE);
3. 软件滤波算法建议
- 中值滤波：适合有脉冲干扰的信号；
- 滑动平均滤波：平滑慢变信号；
- IIR 滤波器：实现一阶低通；
- 多点采样取最大值：适合检测电压峰值。
六、常见问题与调试技巧
| 问题 | 可能原因 | 建议 |
|---|
| ADC 值抖动严重 | 模拟输入有干扰、电源不稳 | 加滤波电容、电源隔离、走线远离数字部分 |
| 采样结果不准 | 输入阻抗太高/采样时间太短 | 增大采样周期或前级加缓冲器（如运放） |
| 转换错误 | VREF 不稳或配置错误 | 确保参考电压一致，芯片参数匹配 |
| 通道错误 | 多路复用器切换不当 | 检查通道配置，切换延时足够 |
七、典型 ADC 芯片推荐
| 型号 | 通道数 | 接口 | 分辨率 | 特点 |
|---|
| STM32 内部 ADC | 1~24 | 内部 | 12~16bit | 成本低，资源整合 |
| ADS1115 | 4 | I2C | 16bit | 高精度、可编程增益 |
| MCP3008 | 8 | SPI | 10bit | 成本低、树莓派常用 |
| ADS8681 | 1 | SPI | 16bit | ±10V 输入，工业级 |
八、扩展：工业系统中 ADC 的增强方案
- 隔离 ADC 设计：通过隔离放大器（如 ISO124）或隔离 ADC（如 ADuM7701）；
- 多通道同步采样：用于电机控制、三相电流同步采样；
- 过采样 + 滤波算法提升精度：配合低速 MCU 实现高精度方案；
- 差分 ADC 配合 instrumentation amplifier（如 INA333）做微弱信号放大后采样；
- 电源监控芯片集成 ADC 功能，如 PMIC 自带监控接口。
