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外观

10.ADC ​

10.1 什么是ADC ​

  ADC 全称为模拟-数字转换器，是一种用于将模拟信号转换为数字信号的模拟数字转换器。我们知道，模拟信号是连续的，其取值可以在一定范围内任意变化，如声音、光信号等。而数字信号则是离散的二进制信号，如计算机中的数据0和1，仅能取有限的值。
  ADC的工作原理是将模拟信号通过采样转换为离散的数字信号，然后再通过量化、编码等处理，最终得到对应的数字表示。ADC采样的频率越高，得到的数字信号就越接近原来的模拟信号，也就是保真度越高，但是需要更多的资源和计算功耗。
  ADC 通常用于从外部模拟传感器中读取模拟信号，并将其转换为数字信号供嵌入式系统或计算机进行处理，例如测量温度、湿度、压力等物理量。

10.2 ESP32S3的ADC介绍 ​

  ESP32-S3 集成了两个 12 位 SAR ADC，每个ADC有10个通道，共支持 20 个模拟通道输入，可测量最多来自 20 个管脚的模拟信号以及内部电压等内部信号。其中，为了实现更低功耗，ESP32-S3 的 ULP 协处理器也可以在睡眠方式下测量电压，此时，可通过设置阈值或其他触发方式唤醒 CPU。
  ADC可以转换的电压范围由VREF决定，对于ESP32-S3通常是0到3.3V，但需要注意的是，ESP32具体的最大额定输入电压可能略有不同，检查相应数据手册的具体信息非常重要，通常会建议使用衰减器（Attenuation）功能或者额外的硬件如电压分压器来保证输入电压在规定范围内。
  ESP32-S3内部还带了一个温度传感器，用于生成一个随温度变化的电压。内部 ADC 将传感器电压转化为一个数字量，温度传感器的测量范围为–20 °C 到 110 °C。温度传感器适用于监测芯片内部温度的变化，该温度值会随着微控制器时钟频率或 IO 负载的变化而变化。一般来讲，芯片内部温度会高于外部温度。
支持ADC采集的引脚如下：

10.3 ADC 的基本参数 ​

ADC 的基本参数通常包括以下几个：

  1. 通道和引脚： 不是所有的GPIO都可以用于ADC读取，需要查看ESP32S3的引脚图来确定哪些引脚支持ADC功能。
  2. 分辨率：指 ADC 的数字输出位数，也称为量化位数。例如，12 位 ADC 具有 4096 个离散的数字输出。
  3. 采样速率：指 ADC 可以进行采样的最大速率。对于 ESP32-S3，最大采样速率为 2.5 MS/s。
  4. 输入范围：指 ADC 可以测量输入信号的电压范围。对于 ESP32-S3，输入范围为 0-3.3V。
  5. 噪声：指 ADC 在采集时分辨率的误差和干扰的影响。噪声越小，ADC 测量结果越精准。
  6. 稳定性：指 ADC 输出的稳定性。稳定性好的 ADC 输出变化小，测量结果更加准确。

10.4 使用ADC流程 ​

10.4.1 使用arduino内部库函数读取值 ​

  analogRead() 是 Arduino 中用于读取模拟输入信号的函数之一。它的原型如下：

int analogRead(uint8_t pin);

  参数 pin 是一个表示要读取的模拟引脚的整数值。在 ESP32-S3 上，可以使用不同的引脚作为模拟引脚，但是只支持GPIO1到GPIO20之间。analogRead() 函数返回一个整数值，表示从模拟输入引脚读取到的 ADC 值。对于 ESP32-S3 来说，这个值的范围是 0 到 4095，对应于 12 位 ADC 的分辨率。
以下是一个使用 analogRead() 函数读取模拟输入的简单示例：

c
//定义模拟量读取引脚为GPIO1
const int analogPin = 1;

int sensorValue = 0;

void setup() {
      //设置开启调试串口0，设置波特率为9600
      Serial.begin(9600);
      //设置 GPIO1 引脚 为浮空输入模式
      pinMode(analogPin, INPUT);
}

void loop() {
      //读取GPIO1的模拟值
      sensorValue = analogRead(analogPin);
      //通过串口0 打印出读取到的值
      Serial.println(sensorValue);
      //延时1秒
      delay(1000);
}

  在上面的示例中，我们将 GPIO1设置为模拟输入引脚，并在 loop() 函数中通analogRead(analogPin) 读取模拟输入的值，并将其打印到串口监视器中。延迟 1 秒后，再次读取并打印值。循环重复执行，实现连续的模拟输入读取。

10.4.2 通过ADC外设库读取值 ​

打开 esp32_hal_adc.h 文件之后，我们可以看到 ADC 的所有控制函数：

  • analogReadResolution(bits)：用于设置模拟输入的分辨率。对于ESP32-S3（和ESP32），默认的ADC（模拟-数字转换）分辨率是12位，范围是0到4095。如果你调用了该函数，你可以更改这个分辨率。其中 bits是你希望设定的分辨率的位数。它可以是一个介于 9位(0 - 511)和 12 位(0 - 4095)之间的值。例如，如果你将分辨率设置为10位，analogRead() 将返回一个范围是0到1023的值。
      改变读数的分辨率可以适应需要不同精度的应用场景。较低的分辨率可以使得ADC读数更快，较高的分辨率则可以获得更详细的电压读数，但会牺牲一些性能。需要注意的是，提高分辨率并不会改善ADC的精度，ADC的准确度还受限于硬件和噪声。

  • analogSetWidth(width)：用于设置 ADC 的位宽，有效的位宽参数通常是从 9 到 12 位，默认是 12 位。这个函数的作用跟 analogReadResolution 函数似乎作用类似，但它们来自不同的上下文。

  • analogSetWidth(width) 是针对 ESP32 平台特有的一个函数，它允许你设定 ESP32 内部 ADC 的位宽。该函数直接设定了 ADC 硬件的采样位宽。

  • analogReadResolution(resolution) 是在 Arduino 环境中更常见的函数，用于设定analogRead()函数返回的数值的分辨率。在一些具有可变 ADC 分辨率的 Arduino 兼容板上，这个函数可以用来改变analogRead()的返回值位宽。
      简单来说，analogSetWidth()是特定于ESP32的函数，它实际上改变了硬件ADC模块的工作方式。而analogReadResolution()是Arduino API的一部分，用来设置analogRead()函数返回值的分辨率。在不同的设备和库版本间，两者的具体实现可能有所不同。
      例如，在ESP32上使用analogSetWidth(10)会将ADC的位宽改为10位，这意味着ADC会以10位的精度进行模拟信号的数字转换。而在支持analogReadResolution()的Arduino兼容设备上，如果你调用analogReadResolution(10)，则表示接下来使用analogRead()函数时，它将返回一个最大为10位宽的数字值（即0到1023之间），但是硬件实际上返回的是12位的数据。
      所以需要注意的是，对于某些Arduino兼容板，改变analogReadResolution()并不会实际改变ADC硬件自身的分辨率，而是改变了返回给Arduino程序的数值的范围。如果硬件ADC的分辨率实际上是12位的，当你设置analogReadResolution(10)，Arduino API会将12位原生ADC值映射（或缩放）到10位的范围。而在ESP32上，analogSetWidth()实际上是改变了内部ADC硬件的位宽。

  • analogSetCycles(cycles)：设置每个样本的循环次数。默认是 8。取值范围：1 ~ 255。

  • analogSetSamples(samples)：设置范围内的样本数量。默认为 1 个样本。它有增加灵敏度的作用。

  • analogSetClockDiv(attenuation)：设置ADC时钟的分压器。默认值为1。取值范围:1 ~ 255。

  • adcAttachPin(pin)：附加一个引脚到 ADC(也清除任何其他模拟模式可能是 on)。返回TRUE或FALSE结果。

  • analogSetAttenuation(attenuation)：用于设置模拟数字转换器（ADC）的衰减（Attenuation），以便能够读取更广泛范围的输入电压。

      衰减是一个减少信号强度的过程，在 ESP32S3 的 ADC 中，这是通过硬件上的衰减器实现的，可以增加ADC能够测量的最大电压，允许较高的电压信号在不超出 ADC 输入限制的情况下进行测量。正是这种功能扩展了ESP32S3 ADC的输入电压范围。ESP32 SDK 通常提供以下衰减选项：

  • ADC_ATTEN_DB_0：不衰减，最大电压范围为 1.1V（在ESP32S3中，0 dB 衰减对应的最大电压为大约 1.1V）。

  • ADC_ATTEN_DB_2_5：约 1.5V 的最大可测电压。

  • ADC_ATTEN_DB_6：约 2.2V 的最大可测电压。

  • ADC_ATTEN_DB_11：约 3.9V 的最大可测电压。

       如果你想测量比 1.1V 更高的电压，必须设置一个衰减值。例如，如果你要测量一个最高 3.3V 的信号，你可以将衰减设置为 ADC_ATTEN_DB_11。

  • analogSetPinAttenuation(pin, attenuation)：设置指定引脚的输入衰减。默认是 ADC_11db。衰减值与前一个函数相同；
    示例：

c
#define POT 1

// 初始化模拟输入值
int pot_value;

void setup() {
      //初始化串口0，波特率为9600
      Serial.begin(9600);
      //初始化ADC引脚
      pinMode(POT,INPUT);
      // 设置 ADC 分辨率
      analogReadResolution(12);
      // 配置衰减器
      analogSetAttenuation(ADC_11db);

}

void loop() {
      // 获取模拟输入值
      pot_value = analogRead(POT);
      // 串口0打印ADC值
      Serial.println(pot_value);
      delay(1000);
}

上面的示例中，初始化了串口0用于打印采集到的ADC值；初始化GPIO1为ADC接口，用于采集外部的模拟量；

10.5 硬件连接与准备 ​

  本示例将GPIO1作为ADC读取引脚，通过GPIO1测试外部电压，再使用板载的串口0打印出ADC读取到的值，并换算成实际电压显示。

10.6 ADC读取验证 ​

c
#define POT 1

// 初始化模拟输入值
int adc_value;

void setup() {
      //初始化串口0，波特率为9600
      Serial.begin(9600);
      //初始化ADC引脚
      pinMode(POT,INPUT);
      // 设置 ADC 分辨率
      analogReadResolution(12);
      // 配置衰减器
      analogSetAttenuation(ADC_11db);

}

void loop() {
      // 获取模拟输入值
      adc_value= analogRead(POT);

      // 串口0打印ADC值
      Serial.write("ADC_value = ");
      Serial.println(adc_value);

      // 串口0打印 实际电压值
      Serial.write("voltage(V) = ");
      Serial.println(adc_value/4095.0\*3.3);
      delay(1000);
}

10.7 ADC读取效果 ​

打开串口调试助手，设置波特率为9600，查看数据。将GPIO1引脚通过杜邦线接到3.3V和GND进行测试。

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