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信息技术：单片机A/D采样和转换的原理

　　单片机A/D采样的原理 是信息专业学生专业课。

　　自己学习的单片机也有一段时间了，刚开始接触单片机的时候，就总是强调AD，单片机自带AD不，等一些说法，但是自己从来没有仔细想过AD的过程，只是知道是将模拟量转化为数字量，但是不知道这个采集过来的电压是2.5V,为什么在数码管上显示为2.5V就是转化成数字量了，现在来说一下自己的理解，只是自己的主观理解，不一定准确!

　　在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上式连续的，而输出的数字信号代码是离散的。所以A/D转换器在进行转换时，必须在一系列选定的瞬间(时间轴上的一些规定点上)对输入的模拟信号采样保持，然后再把这些采样值转换为数字量。因此，一般的A/D转换过程是通过采样保持、量化和编码这三个步骤完成的，即首先对输入的模拟电压采样保持，采样结束后进入保持时间，在这段时间内将采样的电压量转化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果，然后开始下一次采样。下图给出模拟量到数字量转换过程图： 　　

　　

　　采样定理

　　可以证明，为了正确无误的用5.2.2图中所示的采样信号Vs表示模拟信号V1，必须满足：

　　

　　因此，A/D转换器工作时采样频率必须高于上式所规定的频率。采样频率提高后，留给A/D转换器每次转换时间缩短。

　　

　　

　　

　　所谓模拟量很好理解就是模拟量是指变量在一定范围连续变化的量;也就是在一定范围(定义域)内可以取任意值(在值域内)。数字量是分立量，而不是连续变化量，只能取几个分立值，如三位进制数字变量只能取7个整数值0.1.2.3.4.5.6.7。

　　而不是经过AD通道的话，经过的是普通的IO口，那么模拟信号只会在引脚上出现两种数字结果，一个是1一个是0，而不能比较准确的描述出模拟量的数值，模拟量信号是一种变量信号，比如果0V--10V，或50MA到100MA，开关信号是一种通断信号，比如家里的灯开关，数字信号是一种连续的开关信号或高低电平信号，比如1101----高高低高。一连串的信号代表数字信号。

　　再继续说一下AD精度的问题，8位AD精度的话就是将这个满电压值分成2^8=256份，比方说51单片机采集的电压范围是0-5v那么0v对应的是0 5v对应的是255.

　　现在再来讲解一下逐次逼近型ADC的原理。

　　一、逐次逼近式AD转换器与计数式A/D转换类似，只是数字量由“逐次逼近寄存器SAR”产生。SAR使用“对分搜索法”产生数字量，以8位数字量为例，SAR首先产生8位数字量的一半，即10000000B,试探模拟量Vi的大小，若Vo>Vi，清除最高位，若Vo

　　

　　单片机会读到什么值?

　　单片机读值要看一个特性，就是几位的ADC，在手册上就会给出，例如，STM32的 ADC是 12位的。另外，还有8位，10位，16位，24位等。

　　我先告诉你答案：STM32读到的 ADC值，是从0到4095，当你把 ADC引脚接了GND，读到的就是 0，当你把 ADC引脚接了 VDD，读到的就是 4095。

　　接下来告诉你为什么：前面提到，STM32的ADC是 12位的，我们知道，8位的值是从 0 ~ 255;16位的值，是从 0 ~ 65535。这两个位的最大值，是我们最为熟悉的。

　　(怎么算出来的?这问题就又降低到另一个层面了，这里我们说的几位的值，每个位只能是 0或者 1，比如 2位的值，可以表示为 00 01 10 11四种不同的值，这是以 2进制表示的，转换成十进制就是 0 1 2 3，所以得出结论，2位的值可以表示从0 ~ 3。同理，3位的值，可以表示十进制的 0 ~ 9，你可以展开计算一下。4位的值，可以表示0~16，5位的值，可以表示从 0 ~ 31，同理，你可以得出任意位的值可以表示的范围。)

　　所以，12位的值，可以表示从 0 ~ 4095(2^12)，这就是先在感性上，认识了为什么 12位的 ADC的值，是从 0 ~ 4095.

　　读到的值怎么换算成实际的电压值？

　　前面提到了，我们输入GND，读到的值是0，输入VDD，得到的值是4095，那么，当你读到2035的时候，你知道输入电压多少V吗?这个问题，归根接地，就到了数学 XY坐标，已知两点坐标值(0, 0)(3.3, 4095)，给出任意X坐标值，求Y值的问题了吧?简单不简单?

　　ADC测电压示意图：

　　参考电压是什么？

　　讨论这个问题之前，你先拿万用表量一下你的 VDDA的实际电压是多大?是不是标准的 3.300V?应该不是吧?或许是 2.296V，或许是 3.312V。然后你把 VDD连接到ADC引脚之后，得到的是 4095，也就是，实际上，当你读出4095这个数据的时候，实际的电压值不是你想象中的 3.300V。有些初学者，觉得几毫伏的电压差无所谓，但实际应用中，几毫伏就可能代表很大的实际工况，例如，在一个量程为 50克的电子称上。

　　所以，这时候，芯片厂商就想了一个办法，给 ADC模块中引入参考电压，由非常标准的参考电压芯片来接入参考电压引脚。标准的电压芯片，我们一般叫做参考电压芯片，或者叫做基准电压芯片。例如 REF3133(输出 3.300V) REF3025(输出 2.500V)等等。

　　注意：STM32 的 100脚以上(含 100脚)有参考电压引脚。在没有参考电压引脚的单片机上，可以把基准电压芯片接入 VDDA，但是 VDDA和 VDD的电压差不能超过 0.3V，例如，VDD是 3.3V的话，可以给 VDDA接入一个 3.3V的参考电压芯片或者 3.0V的参考电压芯片，但是不能接入 2.5V的参考电压芯片，后果就是芯片不能工作。

　　ADC引脚的输入电压范围是多大？

　　一般情况下，ADC引脚的输入电压，是从0 ~ VDD，如果有REF引脚，一般是0 ~ Vref，也有0 ~ 2Vref 的情况。

　　如果被测的电压大于ADC的输入电压，例如，要用STM32测量 0 ~ 5V的电压的话，可以在输入ADC引脚之前，加入电阻分压和放大器电路。

　　注意：如果用内部基准电压作为参考基准，公式就跟用外部芯片供电电压测量有点不同

　　#define REF_VOLTAGE 1224UL // 基准电压千倍

　　#define VOLTAGE 3300UL // 电压千倍

　　#define ADC_DIP(X) (X) // ADC分辨率

　　一般我们用外部芯片供电电压为参考基准就用下面那个公式，也就是上面说的XY比例

　　ADC_value = (uint32_t)(ADC_value*VOLTAGE >> ADC_DIP(12)); // 换算成千倍的电压值

　　若用内部基准电压作为参考则用以下公式

　　VDD_value = (uint32_t)((REF_VOLTAGE << ADC_DIP(12)) / VDD_value); // 换算成千倍的电压值

　　内置的参照电压看芯片的datasheet；外部芯片供电电压最好用万用表测一下