一、ADC简介
模数转换器（Analog-to-Digital Converter, ADC）是将连续模拟信号（如电压、电流）转换为离散数字信号的电子设备。其核心过程包括：
采样（Sampling）：根据奈奎斯特定理（采样频率需≥2倍信号最高频率），对模拟信号进行离散化采集。
量化（Quantization）：将采样值映射到有限的数字电平（如N位ADC的2^N个电平）。
编码（Encoding）：将量化值转换为二进制码输出。
二、关键参数
2.1 静态参数
分辨率（Resolution）：输出数字量的位数（如12位、16位），决定最小可分辨电压（LSB = Vref / 2^N）。
积分非线性（INL）：实际转换曲线与理想直线的最大偏差（单位：LSB）。
微分非线性（DNL）：相邻码值的实际步进与理想步进的偏差（DNL >1 LSB可能导致丢码）。
2.2 动态参数
采样率（Sampling Rate）：每秒采样次数（单位：SPS），需满足信号带宽需求。
信噪比（SNR）：信号功率与噪声功率的比值（单位：dB），理想值=6.02N +1.76。
有效位数（ENOB）：实际精度（ENOB ≤ 标称分辨率）。
三、ADC常见问题以及解决方案
四、ADC常见的应用场景
1. 传感器信号采集
场景特点：环境物理量（如温度、压力、光强等）通过传感器转换为模拟电信号，需数字化后供MCU或处理器分析。
典型应用：
温度监测：热电偶、RTD（热电阻）输出微小电压，需高精度ADC（如24位Σ-Δ型）。
压力检测：工业压力传感器（4~20mA或0~5V输出）通过ADC转换为数字值。
光照/湿度传感器：如光敏电阻、电容式湿度传感器的模拟输出。
ADC选型：低功耗、中高精度（12~24位），如SAR或Σ-Δ型ADC。
2. 音频处理
场景特点：声音是连续的模拟信号，需高保真数字化。
典型应用：
麦克风输入：驻极体麦克风输出的模拟信号需ADC转换（如16~24位，采样率≥44.1kHz）。
音乐录制/播放：专业音频设备使用高动态范围ADC（如SNR >100dB）。
ADC选型：高分辨率、低噪声Σ-Δ型ADC（如TI的PCM1804）。
3. 工业控制与自动化
场景特点：需实时监测和控制模拟量（如电机电流、电压）。
典型应用：
PLC系统：采集电流/电压信号（0~10V或4~20mA）控制执行器。
电机驱动：通过ADC检测相电流实现闭环控制（需高速ADC）。
ADC选型：高速（1MSPS以上）或隔离型ADC（如ADI的AD7403）。
4. 医疗电子
场景特点：信号微弱（如ECG、EEG）、对精度和抗噪要求极高。
典型应用：
心电图（ECG）：采集μV级心电信号，需高精度ADC（24位Σ-Δ型）。
血氧检测：光电二极管输出的模拟信号需动态范围大的ADC。
ADC选型：超高分辨率、低噪声ADC（如ADS1298）。
5. 通信系统
场景特点：需高速转换射频或中频模拟信号。
典型应用：
软件定义无线电（SDR）：射频信号下变频后通过高速ADC采样。
5G基站：多通道ADC用于Massive MIMO天线信号处理。
ADC选型：超高速Pipeline或Flash型ADC（如AD9208，10GSPS）。
6. 消费电子
场景特点：兼顾成本、功耗和性能。
典型应用：
智能手机：触摸屏模拟信号检测、环境光传感器。
数码相机：CMOS图像传感器的模拟信号读取（需多通道ADC）。
ADC选型：集成式ADC（如MCU内置的12位SAR ADC）。
7. 汽车电子
场景特点：高可靠性、抗干扰。
典型应用：
电池管理（BMS）：监测锂电池组电压/电流（需多通道同步采样）。
车载传感器：油门位置、氧传感器信号采集。
ADC选型：车规级ADC（如TI的ADS7040，AEC-Q100认证）。
8. 测试与测量仪器
场景特点：对速度和精度要求苛刻。
典型应用：
示波器：高速ADC（如8位，20GSPS）捕获瞬态信号。
频谱分析仪：高动态范围ADC用于频域分析。
ADC选型：高速+高分辨率ADC（如AD9625）。
9. 其他特殊场景
能源监测：智能电表中的交流电压/电流采样（需隔离ADC）。
科学实验：粒子探测器输出的脉冲信号数字化。
五、什么时候需要外置ADC
尽管现代MCU（微控制器）普遍内置ADC（模数转换器），但在许多高性能、高精度或特殊应用场景下，仍然需要外置独立的ADC芯片。以下是主要的使用场景及原因：
1. 高精度测量需求
MCU内置ADC的分辨率通常为8~16位，但实际有效位数（ENOB）可能更低（如12位ADC实际仅10位），而独立ADC可提供16位、24位甚至更高精度，适用于：
医疗设备：如ECG（心电图）、EEG（脑电图）需要μV级信号采集28。
工业传感器：高精度称重、压力检测（如20位以上的Σ-Δ ADC）26。
科学仪器：实验室级测量，如光谱分析、精密温度控制10。
2. 高速信号处理
MCU内置ADC的采样率通常低于1MSPS，而独立ADC可达GSPS（千兆采样/秒），适用于：
通信系统：5G基站、软件定义无线电（SDR）需要高速ADC（如16GSPS射频直采ADC）10。
雷达与电子战：相控阵雷达、无人机探测系统需超高速ADC（如单比特ADC用于轻量化雷达）48。
视频处理：高清数字电视、高速相机需80MSPS以上的ADC2。
3. 抗干扰与稳定性要求
内置ADC易受MCU数字噪声（如CPU、PWM）影响，而独立ADC具有：
更好的隔离设计：降低电源噪声和数字干扰3。
专业基准源：外置高稳定性参考电压（如TL431、REF50xx）提升精度7。
工业/汽车环境：在强电磁干扰（EMI）场景下，独立ADC更可靠510。
4. 多通道与灵活性需求
多传感器系统：如新能源BMS（电池管理系统）需同步采样多路电压/电流，内置ADC通道数有限5。
分布式传感：SPI/I²C接口ADC可贴近传感器，减少模拟信号传输损耗6。
可编程配置：独立ADC支持动态调整采样率、量程，而MCU内置ADC通常固定3。
5. 特殊应用架构
单比特ADC：用于雷达系统，减少数据量并优化算力（如深圳大学变阈值单比特ADC）48。
射频直采ADC：5G/6G通信、卫星信号处理需超宽带ADC（如华微电子16GSPS ADC）10。
电容/阻抗测量：专用调理芯片（如MDC02）集成高精度ADC，优于通用MCU方案6。
在消费电子、简单传感器监测（如温度、光照）等场景，MCU内置ADC已足够；但在工业、医疗、通信、军工等高端领域，独立ADC仍是刚需。
六、STM32F103内部ADC资源介绍
12位逐次逼近型ADC，1us转换时间 输入电压范围：0~3.3V，转换结果范围：0~4095
18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源
规则组和注入组两个转换单元
模拟看门狗自动监测输入电压范围 STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道
七、同一个ADC不同通道能同时使用嘛
关于同一个ADC的不同通道是否能同时使用，答案取决于ADC的硬件架构和工作模式。以下是详细分析：
1. 基本概念：ADC通道的硬件结构
共享型ADC：多数MCU内置ADC和低成本独立ADC只有一个ADC核心（Core），所有通道分时复用该核心。
结果：无法真正同时采样，只能快速切换通道（例如STM32的扫描模式）。
独立型ADC：高端ADC（如AD7606）内置多个ADC核心，可同步采样多通道。
2. 不同场景下的通道使用方式
(1) MCU内置ADC（如STM32）
工作模式：
单次转换：每次仅采样1个通道。
扫描模式：自动按顺序切换多通道，但仍是分时采样（非真正同步）。
注入通道：支持高优先级通道打断常规扫描，但仍无法同步。
时序影响：
通道切换需等待采样电容稳定（如STM32需≥1.5个ADC时钟周期）。
多通道采样率 = 总采样率 / 通道数（例如1MSPS ADC采样4通道时，每通道≤250kSPS）。
(2) 独立ADC芯片
分时复用型（如ADS1115）：与MCU内置ADC类似，通道切换需时间。
同步采样型（如AD7606）：
内置多ADC核心，可同时锁存多通道信号（如8通道同步采样）。
典型应用：三相电流检测、振动传感器阵列。
3. 如何实现“准同步”采样？
若需多通道信号相位对齐，但ADC不支持硬件同步，可通过以下方法优化：
缩短通道切换时间：
使用ADC的连续转换模式 + DMA传输，减少软件开销。
例：STM32的ADC扫描模式 + DMA，通道间隔可缩短至1μs以内。
过采样+插值：
对多通道高速采样（如远高于奈奎斯特频率），后期数字滤波对齐相位。
外部采样保持电路：
用模拟开关（如ADG1412） + 电容保持多路信号，再用ADC轮流采样。
4. 同步需求的实际案例
| 场景 | 需求 | 推荐方案 |
|---|---|---|
| 三相电流检测 | 3通道相位同步 | 多核同步ADC（如AD73360） |
| 音频多麦克风阵列 | 多路声音信号同步 | Σ-Δ ADC带硬件同步接口（如CS5368） |
| 电机控制（电流+电压） | 电流电压采样时间对齐 | MCU内置ADC注入通道 + 触发定时器 |
5. 关键问题总结
能否真正同时采样？
取决于ADC硬件：单核ADC 不能，多核ADC 能。
如何选择芯片？
需要同步采样时，选型号明确支持Simultaneous Sampling的ADC（如ADI的AD7606）。
MCU内置ADC的局限性：
即使支持“同步”触发（如STM32的定时器触发ADC），仍是分时采样，仅减小触发延迟差异。
6. 硬件设计建议
检查数据手册：确认ADC的“通道间延迟”（Channel-to-Channel Delay）参数。
抗干扰设计：
多通道模拟走线等长，避免串扰。
为每个通道添加RC滤波（如100Ω + 100nF）。
软件校准：通过已知信号测量各通道的采样时间差，数字补偿。