通俗易懂的理解 ADC

车载测试实操收徒

已于 2024-04-07 14:48:39 修改

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分类专栏：车载测试OTA测试 CANOE工具 USD诊断测试文章标签： ADC采样什么是ADC ADC采样率

于 2024-04-07 10:22:08 首次发布

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本文介绍了ADC（模拟到数字转换器）的工作原理，通过实例说明其与电压表的相似性，探讨了ADC的采样率、采样位数（精度）以及非理想情况下实际精度的问题。特别提到了STM32F1单片机的12位ADC示例。

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理解什么是ADC

文章目录

1、通俗理解什么是ADC
2、什么是ADC
3、ADC的采样率
4、采样位数
5、采样精度

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。

1、通俗理解什么是ADC

完全理解什么是ADC还是比较难的，以下通过举例可以通俗易懂后建议实操一下；

2、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。万用表的红表头、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	0V
1.65V	1.65V
3.3V	3.3V

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=（1111 1111 1111）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
0V	0
1.65V	2048
3.3V	4096

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= $4096\tfrac{?}{3.3V}$ (?:待测电压)

比如我用ADC去测量1V的电压，那么ADC返回的数值是

$4096*\frac{1}{3.3}=1241$

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。

3、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= $10^{9}$

4、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
0V	0
1.65V	2048
...	...
3.3V	4096

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

$0.0008V=\frac{3.3}{4096}$
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。
$0.0004V=\frac{3.3}{8192}$

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
0V	0
0.0004V	1
...	...
1.65V	4096
...	...
3.3V	8192

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。

5、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

$100=4096*\tfrac{0.08}{3.3}$
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。