ADC 学习笔记

概述

ADC (Analog-to-Digital Converter) 用于将模拟信号转换为数字值。本示例展示如何使用 Zephyr ADC API 进行多通道采样。

1. ADC 基础概念

1.1 关键参数

参数	说明
分辨率 (Resolution)	ADC 位数，如 10bit、12bit
增益 (Gain)	输入信号放大倍数
参考电压 (Reference)	ADC 满量程参考电压
采样时间 (Acquisition Time)	采样电容充电时间
输入通道	正输入/负输入（差分模式）

1.2 电压计算

ADC值 = (Vin / Vref) * (2^resolution - 1)
Vin = ADC值 * Vref / (2^resolution - 1)

2. 设备树配置

2.1 ADC 节点定义

&adc {
    #address-cells = <1>;
    #size-cells = <0>;
    status = "okay";

    channel@0 {
        reg = <0>;                              // 通道号
        zephyr,gain = "ADC_GAIN_1";             // 增益 1x
        zephyr,reference = "ADC_REF_INTERNAL";  // 内部参考电压
        zephyr,acquisition-time = <ADC_ACQ_TIME_DEFAULT>;
        zephyr,input-positive = <NRF_SAADC_AIN0>;  // 正输入引脚
        zephyr,resolution = <10>;               // 10位分辨率
    };
};

2.2 用户通道映射

/ {
    zephyr,user {
        io-channels = <&adc 0>, <&adc 1>, <&adc 3>;
    };
};

2.3 差分模式配置

channel@3 {
    reg = <3>;
    zephyr,gain = "ADC_GAIN_1";
    zephyr,reference = "ADC_REF_INTERNAL";
    zephyr,input-positive = <NRF_SAADC_AIN5>;  // 正输入
    zephyr,input-negative = <NRF_SAADC_AIN6>;  // 负输入
    zephyr,resolution = <12>;
};

3. ADC 核心 API

3.1 获取 ADC 通道

// 从设备树获取 ADC 通道规范
static const struct adc_dt_spec adc_channels[] = {
    DT_FOREACH_PROP_ELEM(DT_PATH(zephyr_user), io_channels, DT_SPEC_AND_COMMA)
};

// 单个通道
static const struct adc_dt_spec adc_chan = ADC_DT_SPEC_GET_BY_IDX(DT_PATH(zephyr_user), 0);

3.2 检查设备就绪

if (!adc_is_ready_dt(&adc_channels[i])) {
    printk("ADC device not ready\n");
}

3.3 配置通道

err = adc_channel_setup_dt(&adc_channels[i]);
if (err < 0) {
    printk("Could not setup channel #%d (%d)\n", i, err);
}

3.4 读取 ADC

uint16_t buf;
struct adc_sequence sequence = {
    .buffer = &buf,
    .buffer_size = sizeof(buf),
};

// 初始化序列
adc_sequence_init_dt(&adc_channels[i], &sequence);

// 读取
err = adc_read_dt(&adc_channels[i], &sequence);
if (err < 0) {
    printk("Could not read (%d)\n", err);
}

3.5 转换为毫伏

int32_t val_mv = (int32_t)buf;
err = adc_raw_to_millivolts_dt(&adc_channels[i], &val_mv);
if (err == 0) {
    printk(" = %d mV\n", val_mv);
}

4. 增益与参考电压

4.1 增益选项

ADC_GAIN_1_6   // 1/6 增益
ADC_GAIN_1_5   // 1/5 增益
ADC_GAIN_1_4   // 1/4 增益
ADC_GAIN_1_3   // 1/3 增益
ADC_GAIN_1_2   // 1/2 增益
ADC_GAIN_1     // 1x 增益（默认）
ADC_GAIN_2     // 2x 增益
ADC_GAIN_3     // 3x 增益
ADC_GAIN_4     // 4x 增益

4.2 参考电压选项

ADC_REF_VDD_1      // VDD/1
ADC_REF_VDD_1_2    // VDD/2
ADC_REF_VDD_1_3    // VDD/3
ADC_REF_VDD_1_4    // VDD/4
ADC_REF_INTERNAL   // 内部参考（通常 0.6V）
ADC_REF_EXTERNAL0  // 外部参考 0
ADC_REF_EXTERNAL1  // 外部参考 1

4.3 nRF SAADC 参考

内部参考：0.6V
VDD 参考：VDD/4（测量电池电压）

5. 分辨率与精度

5.1 分辨率选择

zephyr,resolution = <8>;   // 8-bit: 0-255
zephyr,resolution = <10>;  // 10-bit: 0-1023
zephyr,resolution = <12>;  // 12-bit: 0-4095
zephyr,resolution = <14>;  // 14-bit: 0-16383

5.2 过采样提高精度

zephyr,oversampling = <2>;   // 2x 过采样
zephyr,oversampling = <4>;   // 4x 过采样
zephyr,oversampling = <8>;   // 8x 过采样
zephyr,oversampling = <16>;  // 16x 过采样
zephyr,oversampling = <32>;  // 32x 过采样

效果： 过采样可以降低噪声，提高有效位数。

6. 差分模式

6.1 差分输入

zephyr,input-positive = <NRF_SAADC_AIN5>;
zephyr,input-negative = <NRF_SAADC_AIN6>;

6.2 差分值处理

if (adc_channels[i].channel_cfg.differential) {
    val_mv = (int32_t)((int16_t)buf);  // 有符号值
} else {
    val_mv = (int32_t)buf;  // 无符号值
}

差分模式特点：

测量两个输入之间的电压差
结果为有符号数
可消除共模噪声

7. 采样序列

7.1 单次采样

struct adc_sequence sequence = {
    .buffer = &buf,
    .buffer_size = sizeof(buf),
};
adc_read_dt(&adc_chan, &sequence);

7.2 多次采样（缓冲）

uint16_t buf[16];
struct adc_sequence sequence = {
    .buffer = buf,
    .buffer_size = sizeof(buf),
    .options = NULL,  // 可选配置
};

7.3 多通道采样

for (size_t i = 0; i < ARRAY_SIZE(adc_channels); i++) {
    adc_sequence_init_dt(&adc_channels[i], &sequence);
    adc_read_dt(&adc_channels[i], &sequence);
    // 处理 buf...
}

8. 实际应用

8.1 测量电池电压

// 设备树配置
channel@0 {
    reg = <0>;
    zephyr,gain = "ADC_GAIN_1_4";      // VDD/4 增益
    zephyr,reference = "ADC_REF_INTERNAL";  // 0.6V 参考
    zephyr,input-positive = <NRF_SAADC_VDD>;  // VDD 通道
    zephyr,resolution = <12>;
};

// 代码
int32_t vdd_mv = buf;
adc_raw_to_millivolts_dt(&adc_chan, &vdd_mv);
vdd_mv *= 4;  // 补偿 1/4 增益
printk("Battery: %d mV\n", vdd_mv);

8.2 测量温度传感器

// NTC 热敏电阻分压测量
// VDD --- [NTC] --- AIN0 --- [10k] --- GND

int32_t adc_mv = buf;
adc_raw_to_millivolts_dt(&adc_chan, &adc_mv);

// 计算 NTC 电阻
float r_ntc = 10000.0 * adc_mv / (3300 - adc_mv);

// 根据 NTC 参数计算温度（简化）
float temp = 1.0 / (1.0/298.15 + log(r_ntc/10000)/3950) - 273.15;

9. 配置选项 (prj.conf)

CONFIG_ADC=y              # 启用 ADC 驱动
CONFIG_ADC_ASYNC=y        # 异步读取（可选）
CONFIG_ADC_NRFX_SAADC=y   # Nordic SAADC 驱动

10. 关键问题总结

问题	答案
ADC 分辨率在哪设？	设备树 `zephyr,resolution`
参考电压是多少？	内部参考 0.6V，VDD 参考为 VDD/4
如何测量电池电压？	使用 VDD 通道 + 1/4 增益
差分模式怎么配？	设置 `input-positive` 和 `input-negative`
如何提高精度？	过采样 `zephyr,oversampling`

11. 学习心得

设备树配置：ADC 通道参数在设备树中声明，代码通过 adc_dt_spec 获取
增益选择：根据输入电压范围选择合适的增益
参考电压：内部参考稳定，VDD 参考适合测量电池
差分模式：适合精密测量，消除共模噪声

小白 🤖 2026-03-14