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外观

9. ADC ​

9.1 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。

9.2 ESP32S3的ADC介绍 ​

ESP32-S3 集成了两个 12 位 SAR ADC，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。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，开发板是设置为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：

9.3 ADC 的基本参数 ​

ADC 的基本参数通常包括以下几个：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。

9.4 使用ADC流程 ​

使用 ESP32 的 ADC（模数转换器）功能在 MicroPython 中的流程如下：

  1. 导入相关的模块和库
c
from machine import ADC
  1. 初始化 ADC 对象
c
adc = ADC(machine.Pin(pin_number))

其中 pin_number 是连接到 ESP32 的引脚编号。

  1. 配置 ADC 的参考电压和分辨率（可选步骤）
c
# 设置参考电压，默认为 3.3V（使用 11dB 衰减）
adc.atten(adc.ATTENUATION_11DB)

# 设置分辨率，默认为 12 位（0-4095）
# adc.width(ADC.WIDTH_12BIT)

可以使用 atten() 方法来设置 ADC 的参考电压，默认为 3.3V。

要读取高于参考电压的电压，请使用atten 关键字参数应用输入衰减。有效值（和近似线性测量范围）为：

  • ADC.ATTN_0DB: 无衰减（100mV-950mV）)
  • ADC.ATTN_2_5DB: 2.5dB衰减（100mV-1250mV）
  • ADC.ATTN_6DB: 6dB衰减（150mV-1750mV）
  • ADC.ATTN_11DB: 11dB衰减（150mV-2450mV）

可以使用 width() 方法来设置 ADC 测量结果的分辨率，默认为 12 位（0-4095）。

为了兼容性， ADC对象还提供与支持的ADC分辨率匹配的常量：

  • ADC.WIDTH_9BIT = 9
  • ADC.WIDTH_10BIT = 10
  • ADC.WIDTH_11BIT = 11
  • ADC.WIDTH_12BIT = 12
  1. 读取 ADC 的值：
c
adc_value = adc.read()
b

使用 read() 方法从 ADC 中读取当前的测量值。该方法返回根据设置的分辨率范围的原始ADC值，例如，对于12位分辨率为0-4095，表示测量结果。5. 关闭 ADC：

c
adc.deinit()

当你不再需要使用 ADC 时，可以通过调用 deinit() 方法来关闭 ADC。

需要注意以下几点：

  • 根据硬件的具体情况，只有GPIO1到GPIO20这些引脚支持 ADC 功能。
  • ADC 测量值的范围和精度取决于参考电压和分辨率的设置。你可以根据需要进行适当的设置。
  • 如果你需要连续读取 ADC 的值，可以使用 read_timed() 方法来定时读取 ADC 值。

其余方法请参考官方 MicroPython文档：

http://www.86x.org/en/latet/esp32/quickref.html#adc-analog-to-digital-conversion

9.5 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。

9.6 ADC验证 ​

c
import time
from machine import Pin, ADC

adc_in = Pin(1, Pin.IN)
# 在 GPIO1 引脚创建 ADC 对象
adc = ADC(adc_in)

# 配置衰减器，配置测量量程为 3.3V
adc.atten(ADC.ATTN_11DB)

while True:
    print(f'adc:{adc.read()}')
    time.sleep(0.1)

我们可以在 shell 控制台，鼠标右击，选择 显示绘图器，他可以把 shell 中输出的数字可视化，这样就可以看到 adc 的图像变化：