ADC- 模数转换

2023-10-23

ADC 原理和常见用法

模拟信号指在时域上数学形式为连续的信号，不同时间点位置的信号值是连续变化的。所传达的信息是连续变化的物理量，如温度、湿度、压力、长度、电流等等。不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输。
数字信号指自变量和因变量都是离散的信号，可以理解为在时域和幅值上都是离散的，不连续的。数字信号在计算机中以二进制的方式进行存储。

以一个工作电压为3.3V的处理器为例，其工作过程中始终伴随着要么是0V（逻辑0），要么是3.3V（逻辑1）的矩形波电信号。物理世界中一个电压为1V的电信号，是不能直接被CPU识别到的，其必须由一个叫做ADC的器件，将其转换为数字信号后，方能被CPU识别。
ADC全称Analog-to-Digital Converter,即模拟至数字信号转换器，作用是将物理世界中计算机无法直接识别的模拟信号，转换为能够识别的二进制数字信号。
ADC的基本工作原理是采样和量化。首先，ADC对模拟信号进行采样，即在一定的时间间隔内测量模拟信号的值。然后，采样的模拟信号被量化，即将连续的模拟信号离散化为一系列离散的数字值。这些数字值通常使用二进制表示。

ADC的分辨率表示其能够量化模拟信号的精度，它是指ADC能够表示的离散数值的数量。分辨率通常以位（bit）为单位表示，例如8位、10位、12位等。因此，一个8位的ADC可以将输入范围分成2的8次方（256）个不同的离散级别，而一个12位的ADC可以将输入范围分成2的12次方（4096）个离散级别。较高的分辨率意味着ADC可以更精确地量化模拟信号。
ADC的采样率是指在一秒钟内进行采样的次数。采样率越高，得到的离散数字信号对真实模拟信号波形的还原度越高。根据奈奎斯特采样定理，采样率至少是待测量信号最大频率的2倍，才可能保证采样后的波形不失真。在实际应用中，采样频率往往高达待采样信号最大频率的10倍甚至更大。

ADC的输入电压范围指的是它能够接受的模拟信号的电压范围。它通常以电压表示，例如0V至5V或-5V至+5V。确保输入信号不超过ADC的输入范围，以避免信号失真或损坏。
ADC的触发方式通常分软件触发和硬件触发，软件触发当设置开始转换时ADC会立即启动转换，硬件触发则需要等待指定的外部事件发生时ADC才会启动转换。ADC广泛应用于各种领域，如数据采集、传感器接口、音频处理、通信系统等。它们是将模拟信号转换为数字信号的关键组件，使得模拟信号能够与数字系统进行交互和处理。

各平台ADC说明

ADC通常位于PMU上，位于Analog IP中，PMU的典型结构图如下：

各平台ADC差异如下表：

平台	支持路数	位宽	输入电压范围(单位：V)
EC600N	1	10	0~1.3
EC600M	2	12	0~1.2
EC800N	1	10	0~1.8
EC600U	4	12	0~VBAT
EC200U	3	12	0~VBAT_BB
EC200A	2	12	0~VBAT_BB
BG95	1	16	0~1.8
EG915U	2	12	0~VBAT
EC800M	2	12	0~1.2
EG912N	2	12	0~VBAT_BB
EC600E	2	12	0~1.2
EC800E	2	12	0~1.2

VBAT：模组电源电压。

VBAT_BB：模块基带电源和射频电源。

VBAT没有供电时，ADC管脚不要接入电压。

ADC API说明

输入电压不要超过允许电压范围的上限，超过上限的需要先进行分压。

参考电压Vref由模组内部产生，无需额外提供。

ADC 创建对象

from misc import ADC
adc = ADC()

创建一个ADC对象，使用ADC功能需要先创建对象。

ADC功能初始化

adc.open()

创建对象后调用该接口初始化。

读取指定通道的电压值

adc.read(ADCn)

读取 ADC 调用该接口；读取指定通道的电压值，调用该接口首先触发 ADC 采集，转换结束后读取转换结果，然后转换为电压值返回。
ADCn 指ADC通道，例如 adc.read(ADC.ADC0) 读取 ADC 通道 0 电压值，返回值单位为 mV。

返回的电压值是模组管脚的电压值，部分型号模组内部有分压电阻，返回的是内部分压前的管脚的电压值。

ADC管脚悬空时，读取的电压可能是随机值，建议不要悬空。

读取接口比较耗时，避免频繁调用。

关闭ADC

adc.close()

不使用时关闭ADC。

应用场景

电池电压采集与充电检测

准备材料：电池、EC600U模组、ME4055A。

原理：

ME4055A 是一款专用的电池充电芯片，专为单个电池提供恒流或恒压线性充电，其封装如下图所示。

CHRG 脚是充电状态指示脚，当电池正在充电中时，CHRG 脚被内部电路拉低，否则 CHRG 脚处于高阻态。

BAT 管脚是电池连接管脚，把电池的正极接到 BAT 管脚，BAT 脚输出的电压恒定为 4.2V。

VCC 是电源输入脚，为 ME4055A 提供电源。

STDBY 是充电结束指示脚，当充电结束时，STDBY 被内部电路拉低，否则STDBY是高阻态；模组通过监控CHRG和STDBY管脚的电平高低，来判断充电状态。

PROG 脚是充电电流检设置和检测脚，PROG 脚通过一个电阻 R_PROG 连接到地，那么充电电流 I_BAT=(V_PROG/R_PROG)*1100，其中在预充电模式 V_PROG=0.1V，在恒流充电模式，V_PROG=1V。

检测电池电压的原理是采用电阻分压的方法，即硬件上用两个电阻把电池电压进行比例分压，把分压后的电压送到模组ADC管脚进行检测，软件根据模组ADC读取的电压值经过换算计算出电池的电压。

连接硬件：如下图所示，ME4055A的CHRG和STDBY分别接模组的GPIO，BAT接电池正极，VCC接电源，通过把电池电压分压，接入到模组的ADC管脚，以测量电池电压。

点此链接下载 battery.py，battery.py 实现了电池电压采集、充电状态采集、充电事件上报、电池电量计算功能。其中充电状态检测和电池电压采集代码如下：

充电状态检测的脚本：通过读ME4055A的CHRG和STDBY脚的状态进行充电状态判断。

def __update_charge_status(self):
    """Update Charge status by gpio status"""
    if not self.__usb:
        chrg_level = self.__chrg_gpio.read()
        stdby_level = self.__stdby_gpio.read()
        if chrg_level == 1 and stdby_level == 1:
            # Not charge.
            self.__charge_status = 0
        elif chrg_level == 0 and stdby_level == 1:
            # Charging.
            self.__charge_status = 1
        elif chrg_level == 1 and stdby_level == 0:
            # Charge over.
            self.__charge_status = 2
        else:
            raise TypeError("CHRG and STDBY cannot be 0 at the same time!")
    else:
        self.__usb_charge()

def charge_status(self):
    """Get charge status
    Returns:
        0 - Not charged
        1 - Charging
        2 - Finished charging
    """
    self.__update_charge_status()
    return self.__charge_status

电池电压采集：通过间隔指定的时间多次采样，然后去掉最大值和最小值后取平均的方法作为返回数据。

def __get_adc_vbatt(self):
    """Get vbatt from adc"""
    self.__adc.open()
    utime.sleep_ms(self.__adc_period)
    adc_list = list()
    for i in range(self.__adc_period):
        adc_list.append(self.__adc.read(self.__adc_num))
        utime.sleep_ms(self.__adc_period)
    adc_list.remove(min(adc_list))
    adc_list.remove(max(adc_list))
    adc_value = int(sum(adc_list) / len(adc_list))
    self.__adc.close()
    vbatt_value = adc_value * (self.__factor + 1)
    return vbatt_value

下载 battery.py 到模组的 usr 分区后，可以通过 from usr.battery import Battery 来导入 Battery 类；创建一个 Battery 类对象，我们就可以调用相关方法。usr 分区是 Python 虚拟机文件系统的一个分区，可以存放用户的脚本，如下图：

battery.py 的 API 介绍如下。

点此查看 API 介绍详情。

实例化对象

示例：

from usr.battery import Battery
adc_args = (adc_num, adc_period, factor)
chrg_gpion = 0
stdby_gpion = 1
battery = Battery(adc_args=adc_args, chrg_gpion=chrg_gpion, stdby_gpion=stdby_gpion)

adc_num：adc通道，adc_period：adc循环读取次数，factor：计算系数；chrg_gpion：连接CHRG的gpio；stdby_gpion：连接STDBY的gpio。

设置充电事件回调函数

示例:

def charge_callback(charge_status):
    print(charge_status)
res = battery.set_charge_callback(charge_callback)

回调参数charge_status：0-未充电;1-充电中;2-充电完成。

设置电池当前温度

示例：

res = battery.set_temp(20)

设置温度为20℃。

查询电池电压

示例：

battery.voltage

返回值单位mV。

查询电池电量

res = battery.energy

返回值表示百分比，0~100。

查询充电状态

battery.charge_status

返回0：未充电，1：充电中，2：充电完成。

应用示例：

from battery import Battery

# instantiation object
adc_args = (adc_num, adc_period, factor)
chrg_gpion = 0
stdby_gpion = 1
battery = Battery(adc_args=adc_args, chrg_gpion=chrg_gpion, stdby_gpion=stdby_gpion)

def charge_callback(charge_status):
    print(charge_status)

# set charge status callback 
battery.set_charge_callback(charge_callback)
# True

# set current temp
temp = 30
battery.set_temp(temp)
# True

# get battery volt
battery.voltage
# 3000

# get battery soc
battery.energy
# 100

# get charge status
battery.charge_status
# 1

ADC功能实现按键检测

在IO资源紧张时可以用ADC的方式实现一个ADC管脚实现多按键识别。

准备材料：EC600U模组,相关硬件电路

原理：

根据不同按键按下ADC口的电压不同来判断对应按键按下。

如下图所示，当R3上端接的电压为1V时，当没有按键按下时，测试点的电压为1V。

K1按下时，测试点的电压为0.75V。

K2按下时，测试点的电压为0.5V。

K3按下时，测试点的电压为0V。

软件可以周期的读取ADC管脚电压值，并据此进行判断哪个按键按下。

实际应用时可以调整上拉电压值和阻值、开关个数。

连接硬件：如下图所示电路，由K1、K2、K3三个按键和三个电阻组成，图中的ADC port连接模组的ADC0管脚。

为提高 ADC 电压测量的准确度，ADC 接口在布线时需做包地处理。

示例代码：

from misc import ADC
import utime
adc = ADC()
adc.open()
ADC_VALUE_1 = 100
ADC_VALUE_2 = 600
ADC_VALUE_3 = 900
while True:
    # Read ADC result
    adc_value = adc.read(ADC.ADC0)
    # Detect pressed key based on ADC result
    if adc_value < ADC_VALUE_1:
        # key3 pressed
        print("K3 is now pressed")
    elif adc_value < ADC_VALUE_2:
        # key2 pressed
        print("K2 is now pressed")
    elif adc_value < ADC_VALUE_3:
        # key1 pressed
        print("K1 is now pressed")
    else:
        # no key pressed
        print("no key is now pressed") 
    utime.sleep_ms(20)

光敏传感器

准备材料：EC600U模组，光敏电阻(如GL5528)

原理：光敏电阻的电阻值随着光照强度的变化而变化。当光敏电阻受到光照时，其电阻值下降；当光照减弱或完全没有光照时，其电阻值增加，从而影响测试点的电压值。通过读取ADC电压值来计算出光敏电阻的阻值，再根据光敏电阻的光照强度和阻值关系可以知道光照的强弱。

硬件连接：如下图进行连接。R2为光敏电阻，R1为10K，根据具体光敏电阻参数选择R1的值，ADC port为测试点，连接到模组的ADC管脚。

本例程通过打印ADC测量的电压值和光敏电阻的阻值来观察不同光亮对光敏电阻的影响。

from misc import ADC
import utime 
import _thread

# unit as kΩ
def Voltage_to_Resistance(Volt):
    resistance = (10 * Volt)/(1000 - Volt)
    return resistance

def Photoresistor_thread(delay, retryCount):
    	# creat a adc device
    	AdcDevice = ADC()
    	while retryCount:
            retryCount = retryCount - 1
            # get ADC.ADC0 value
            adcvalue = AdcDevice.read(ADC.ADC0)
            print("get ADC.ADC0 Voltage value as {0}mv".format(adcvalue))
            # Converted to resistance
            resistance = Voltage_to_Resistance(adcvalue)
            print("Photoresistor resistance as {0}Ω".format(resistance * 1000))
            utime.sleep(delay)
    	pass
    	
if __name__ == "__main__":
    	# creat a thread Convert ADC to Voltage
    	_thread.start_new_thread(Photoresistor_thread, (1, 10))
    	print("main thread has exit")

常见问题

ADC 电压范围

每个 ADC 接口引脚的输入电压不能超过其允许的电压范围，当被测电压大于输入电压范围时，先进行电阻分压缩小后再接入模组ADC管脚；
在模块 VBAT 不供电的情况下，为了避免损坏模组，ADC 接口不允许直接输入任何输入电压。

ADC位宽

ADC位宽指ADC转换结果以多少位数据表示，位宽越大分辨率越高，采集越精准，例如1V电压经过10位位宽的ADC转换，每一位表示1/1024V；模组ADC返回的是处理后的电压值。

模组是否带充电功能

模组目前不支持充电功能。

如何检测电池电压

采用电阻分压的方法，测量分压后的电压值。如果要获取模组自身的VBAT电压，可以调用Power.getVbatt()接口，返回的单位mV。

PWM

USB 接口

QuecPython