信息技術(shù)：單片機A/D采樣和轉(zhuǎn)換的原理
單片機A/D采樣的原理 是信息專業(yè)學(xué)生專業(yè)課。
自己學(xué)習(xí)的單片機也有一段時間了，剛開始接觸單片機的時候，就總是強調(diào)AD，單片機自帶AD不，等一些說法，但是自己從來沒有仔細想過AD的過程，只是知道是將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，但是不知道這個采集過來的電壓是2.5V,為什么在數(shù)碼管上顯示為2.5V就是轉(zhuǎn)化成數(shù)字量了，現(xiàn)在來說一下自己的理解，只是自己的主觀理解，不一定準(zhǔn)確!
在A/D轉(zhuǎn)換器中，因為輸入的模擬信號在時間上式連續(xù)的，而輸出的數(shù)字信號代碼是離散的。所以A/D轉(zhuǎn)換器在進行轉(zhuǎn)換時，必須在一系列選定的瞬間(時間軸上的一些規(guī)定點上)對輸入的模擬信號采樣保持，然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。因此，一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過采樣保持、量化和編碼這三個步驟完成的，即首先對輸入的模擬電壓采樣保持，采樣結(jié)束后進入保持時間，在這段時間內(nèi)將采樣的電壓量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后開始下一次采樣。下圖給出模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換過程圖：
采樣定理
可以證明，為了正確無誤的用5.2.2圖中所示的采樣信號Vs表示模擬信號V1，必須滿足：
因此，A/D轉(zhuǎn)換器工作時采樣頻率必須高于上式所規(guī)定的頻率。采樣頻率提高后，留給A/D轉(zhuǎn)換器每次轉(zhuǎn)換時間縮短。
所謂模擬量很好理解就是模擬量是指變量在一定范圍連續(xù)變化的量;也就是在一定范圍(定義域)內(nèi)可以取任意值(在值域內(nèi))。數(shù)字量是分立量，而不是連續(xù)變化量，只能取幾個分立值，如三位進制數(shù)字變量只能取7個整數(shù)值0.1.2.3.4.5.6.7。
而不是經(jīng)過AD通道的話，經(jīng)過的是普通的IO口，那么模擬信號只會在引腳上出現(xiàn)兩種數(shù)字結(jié)果，一個是1一個是0，而不能比較準(zhǔn)確的描述出模擬量的數(shù)值，模擬量信號是一種變量信號，比如果0V--10V，或50MA到100MA，開關(guān)信號是一種通斷信號，比如家里的燈開關(guān)，數(shù)字信號是一種連續(xù)的開關(guān)信號或高低電平信號，比如1101----高高低高。一連串的信號代表數(shù)字信號。
再繼續(xù)說一下AD精度的問題，8位AD精度的話就是將這個滿電壓值分成2^8=256份，比方說51單片機采集的電壓范圍是0-5v那么0v對應(yīng)的是0 5v對應(yīng)的是255.
現(xiàn)在再來講解一下逐次逼近型ADC的原理。
一、逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器與計數(shù)式A/D轉(zhuǎn)換類似，只是數(shù)字量由“逐次逼近寄存器SAR”產(chǎn)生。SAR使用“對分搜索法”產(chǎn)生數(shù)字量，以8位數(shù)字量為例，SAR首先產(chǎn)生8位數(shù)字量的一半，即10000000B,試探模擬量Vi的大小，若Vo>Vi，清除最高位，若Vo
單片機會讀到什么值?
單片機讀值要看一個特性，就是幾位的ADC，在手冊上就會給出，例如，STM32的 ADC是 12位的。另外，還有8位，10位，16位，24位等。
我先告訴你答案：STM32讀到的 ADC值，是從0到4095，當(dāng)你把 ADC引腳接了GND，讀到的就是 0，當(dāng)你把 ADC引腳接了 VDD，讀到的就是 4095。
接下來告訴你為什么：前面提到，STM32的ADC是 12位的，我們知道，8位的值是從 0 ~ 255;16位的值，是從 0 ~ 65535。這兩個位的最大值，是我們最為熟悉的。
(怎么算出來的?這問題就又降低到另一個層面了，這里我們說的幾位的值，每個位只能是 0或者 1，比如 2位的值，可以表示為 00 01 10 11四種不同的值，這是以 2進制表示的，轉(zhuǎn)換成十進制就是 0 1 2 3，所以得出結(jié)論，2位的值可以表示從0 ~ 3。同理，3位的值，可以表示十進制的 0 ~ 9，你可以展開計算一下。4位的值，可以表示0~16，5位的值，可以表示從 0 ~ 31，同理，你可以得出任意位的值可以表示的范圍。)
所以，12位的值，可以表示從 0 ~ 4095(2^12)，這就是先在感性上，認識了為什么 12位的 ADC的值，是從 0 ~ 4095.
讀到的值怎么換算成實際的電壓值？
前面提到了，我們輸入GND，讀到的值是0，輸入VDD，得到的值是4095，那么，當(dāng)你讀到2035的時候，你知道輸入電壓多少V嗎?這個問題，歸根接地，就到了數(shù)學(xué) XY坐標(biāo)，已知兩點坐標(biāo)值(0, 0)(3.3, 4095)，給出任意X坐標(biāo)值，求Y值的問題了吧?簡單不簡單?
ADC測電壓示意圖：
參考電壓是什么？
討論這個問題之前，你先拿萬用表量一下你的 VDDA的實際電壓是多大?是不是標(biāo)準(zhǔn)的 3.300V?應(yīng)該不是吧?或許是 2.296V，或許是 3.312V。然后你把 VDD連接到ADC引腳之后，得到的是 4095，也就是，實際上，當(dāng)你讀出4095這個數(shù)據(jù)的時候，實際的電壓值不是你想象中的 3.300V。有些初學(xué)者，覺得幾毫伏的電壓差無所謂，但實際應(yīng)用中，幾毫伏就可能代表很大的實際工況，例如，在一個量程為 50克的電子稱上。
所以，這時候，芯片廠商就想了一個辦法，給 ADC模塊中引入?yún)⒖茧妷?，由非常?biāo)準(zhǔn)的參考電壓芯片來接入?yún)⒖茧妷阂_。標(biāo)準(zhǔn)的電壓芯片，我們一般叫做參考電壓芯片，或者叫做基準(zhǔn)電壓芯片。例如 REF3133(輸出 3.300V) REF3025(輸出 2.500V)等等。
注意：STM32 的 100腳以上(含 100腳)有參考電壓引腳。在沒有參考電壓引腳的單片機上，可以把基準(zhǔn)電壓芯片接入 VDDA，但是 VDDA和 VDD的電壓差不能超過 0.3V，例如，VDD是 3.3V的話，可以給 VDDA接入一個 3.3V的參考電壓芯片或者 3.0V的參考電壓芯片，但是不能接入 2.5V的參考電壓芯片，后果就是芯片不能工作。
ADC引腳的輸入電壓范圍是多大？
一般情況下，ADC引腳的輸入電壓，是從0 ~ VDD，如果有REF引腳，一般是0 ~ Vref，也有0 ~ 2Vref 的情況。
如果被測的電壓大于ADC的輸入電壓，例如，要用STM32測量 0 ~ 5V的電壓的話，可以在輸入ADC引腳之前，加入電阻分壓和放大器電路。
注意：如果用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓作為參考基準(zhǔn)，公式就跟用外部芯片供電電壓測量有點不同
#define REF_VOLTAGE 1224UL // 基準(zhǔn)電壓千倍
#define VOLTAGE 3300UL // 電壓千倍
#define ADC_DIP(X) (X) // ADC分辨率
一般我們用外部芯片供電電壓為參考基準(zhǔn)就用下面那個公式，也就是上面說的XY比例
ADC_value = (uint32_t)(ADC_value*VOLTAGE >> ADC_DIP(12)); // 換算成千倍的電壓值
若用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓作為參考則用以下公式
VDD_value = (uint32_t)((REF_VOLTAGE << ADC_DIP(12)) / VDD_value); // 換算成千倍的電壓值
內(nèi)置的參照電壓看芯片的datasheet；外部芯片供電電壓最好用萬用表測一下
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