# ADC

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# 功能概述

## 基本概念与原理

### ADC定义

**ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）** 是一种将连续变化的模拟信号转换为离散数字信号的电子器件，是物理世界与数字系统之间的桥梁：数字芯片需要借助ADC才能获取外部环境中的模拟量。

模拟信号是指在时间上连续变化的信号，任意时刻都有确定的取值，用于传达温度、湿度、压力、长度、电流等连续变化的物理量。这些物理量须先转换为电信号，才能被电路传输和处理。

数字信号是指在时间和幅值上均离散取值的信号，在计算机中以二进制形式存储。

以工作电压为3.3 V的处理器为例，其内部电路只识别0 V（逻辑0）和3.3 V（逻辑1）两种电平。物理世界中一个1 V的模拟电压信号无法被CPU直接识别，须先经ADC转换为CPU能够识别的二进制数字信号。

### ADC工作原理

ADC的工作过程包括四个关键步骤：

1. **采样（Sampling）**：在固定时间间隔内获取模拟信号的瞬时值（时间离散化）

2. **保持（Holding）**：在采样期间保持信号值不变，避免转换过程中信号变化

3. **量化（Quantization）**：将采样值映射到有限的离散电平（幅值离散化）

4. **编码（Encoding）**：将量化后的值转换为二进制数字形式

```{image} images/image_SF73bJEMFoPDlpxnZpCcYS0EnWc.webp
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:height: 422px
:align: center
```

## 性能参数详解

### 核心参数

#### 分辨率（Resolution）

- **定义**：ADC输出数字代码所能表示的最小输入电压变化量

- **表示**：通常用位数表示（8位、10位、12位等）

- **公式**：分辨率 = Vref / (2^N)，其中N是位数

- **示例**：12位ADC，Vref = 3.3 V时，LSB ≈ 0.8 mV

#### 采样率（Sampling Rate）

- **定义**：ADC每秒完成模数转换并输出数字结果的次数

- **单位**：SPS、kSPS、MSPS、GSPS

- **意义**：决定了ADC能处理输入信号的最高频率

```{image} images/image_Gyoib5zIeoZCvuxbHdrcWxfknWc.webp
:width: 575px
:height: 442px
:align: center
```

#### 转换时间（Conversion Time）

- **定义**：从ADC启动一次转换到转换完成所需的时间

- **关系**：采样率 = 1 / 转换时间（对于单次转换架构）

### 精度参数

#### 积分非线性（INL）

- 衡量ADC在整个输入范围内，实际转换特性曲线偏离理想直线的最大偏差

- 单位：LSB（最低有效位）

#### 微分非线性（DNL）

- 衡量ADC相邻两个输出码对应的实际输入电压差与理想电压差的最大偏差

- DNL > |1| LSB 可能导致输出码失码

#### 偏移误差和增益误差

- 偏移误差：输入电压为零时，实际输出码与理想输出码的偏差

- 增益误差：实际传输特性曲线的斜率与理想斜率之间的偏差

### 动态性能参数

#### 信噪比（SNR）

- 输出信号中基波信号成分与噪声成分的比值

- 单位：dB

- 越高表示量化噪声和电路内部噪声越小

#### 信噪失真比（SINAD/THD+N）

- 基波信号成分与谐波成分加噪声成分的比值

- 更能全面反映转换器对信号的保真度

#### 有效位数（ENOB）

- 将理想ADC的信噪失真比代入SNR公式计算出的等效位数

- 计算公式：ENOB = (SINAD - 1.76) / 6.02

- 实际应用中比标称分辨率位数更能体现ADC的真实性能

## 常见问题

### ADC电压范围

1. 每个ADC接口引脚的输入电压不能超过其允许的电压范围；当被测电压超出该范围时，应先通过电阻分压将其降至范围内，再接入模块ADC引脚；

2. 在模块VBAT未供电的情况下，禁止向ADC接口输入任何电压，以免损坏模块。

### ADC位宽

ADC位宽指ADC转换结果用多少位二进制数表示。位宽越大，分辨率越高，采集越精准。例如1 V电压经10位ADC转换后，每个量化级（1 LSB）对应1/1024 V。模块ADC返回的是经处理后的电压值。

# ADC API

## 头文件

*qosa_adc.h*

## 函数概览

| **函数名** | **功能描述** |
| --- | --- |
| *qosa_adc_ioctl()* | 配置ADC参数 |
| *qosa_adc_get_volt()* | 获取ADC通道电压值 |
| *qosa_get_vbat_volt()* | 获取VBAT的电压值 |

## 函数详解

### qosa_adc_ioctl

- **功能描述**  
  配置ADC参数。

- **函数原型**

```c
qosa_adc_errcode_e qosa_adc_ioctl(qosa_adc_channel_e adc_id, qosa_adc_ioctl_cmd_e cmd, void *arg);
```

- **参数说明**

| **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** |
| --- | --- | --- | --- |
| *adc_id* | 输入 | *qosa_adc_channel_e* | ADC通道选择；详见 [*qosa_adc_channel_e*](#qosaadcchannel_e) |
| *cmd* | 输入 | *qosa_adc_ioctl_cmd_e* | IOCTL命令；详见 [*qosa_adc_ioctl_cmd_e*](#qosaadcioctlcmde) |
| *arg* | 输入 | void * | 命令参数指针；当cmd为 *QOSA_ADC_IOCTL_SET_SCALE* 时，指向 [*qosa_adc_aux_scale_e*](#qosaadcauxscalee) 类型的分压系数 |

- **返回值说明**  
  *QOSA_ADC_SUCCESS*：函数执行成功  
  其他值（详见 [*qosa_adc_errcode_e*](#qosaadcerrcode_e)）：函数执行失败

### qosa_adc_get_volt

- **功能描述**  
  获取ADC通道电压值。

- **函数原型**

```c
qosa_adc_errcode_e qosa_adc_get_volt(qosa_adc_channel_e adc_id, int *adc_value);
```

- **参数说明**

| **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** |
| --- | --- | --- | --- |
| *adc_id* | 输入 | *qosa_adc_channel_e* | ADC通道选择；详见 [*qosa_adc_channel_e*](#qosaadcchannel_e) |
| *adc_value* | 输出 | int * | 获取到的电压值；单位：mV |

- **返回值说明**  
  *QOSA_ADC_SUCCESS*：函数执行成功  
  其他值（详见 [*qosa_adc_errcode_e*](#qosaadcerrcode_e)）：函数执行失败

```{note}
1. 此接口耗时较长，不能在中断或回调函数中使用
2. 返回的电压值已经考虑了内部分压电阻的影响
```

### qosa_get_vbat_volt

- **功能描述**  
  获取VBAT的电压值。

- **函数原型**

```c
qosa_adc_errcode_e qosa_get_vbat_volt(int *adc_value);
```

- **参数说明**

| **参数名** | **输入/输出** | **类型** | **说明** |
| --- | --- | --- | --- |
| *adc_value* | 输出 | int * | 获取到的VBAT电压值；单位：mV |

- **返回值说明**  
  *QOSA_ADC_SUCCESS*：函数执行成功  
  其他值（详见 [*qosa_adc_errcode_e*](#qosaadcerrcode_e)）：函数执行失败

```{note}
1. 此接口耗时较长，不能在中断或回调函数中使用
2. VBAT电压测量通常有专用的硬件电路
```

## 枚举定义

### qosa_adc_errcode_e

ADC操作错误码枚举定义如下：

```c
typedef enum
{
    QOSA_ADC_SUCCESS = 0,
    QOSA_ADC_EXECUTE_ERR = 1 | QOSA_ADC_ERRCODE_BASE,
    QOSA_ADC_GET_VALUE_ERR,
    QOSA_ADC_INVALID_PARAM_ERR,
    QOSA_ADC_MEM_ADDR_NULL_ERR,
} qosa_adc_errcode_e;
```

| **成员** | **说明** |
| --- | --- |
| *QOSA_ADC_SUCCESS* | 函数执行成功 |
| *QOSA_ADC_EXECUTE_ERR* | 执行错误 |
| *QOSA_ADC_GET_VALUE_ERR* | 获取值错误 |
| *QOSA_ADC_INVALID_PARAM_ERR* | 参数无效 |
| *QOSA_ADC_MEM_ADDR_NULL_ERR* | 内存地址为空 |

### qosa_adc_channel_e

ADC通道选择枚举定义如下：

```c
typedef enum
{
    QOSA_ADC0_CHANNEL = 0,
    QOSA_ADC1_CHANNEL = 1,
    QOSA_ADC_CHANNEL_MAX,
} qosa_adc_channel_e;
```

| **成员** | **说明** |
| --- | --- |
| *QOSA_ADC0_CHANNEL* | ADC0通道 |
| *QOSA_ADC1_CHANNEL* | ADC1通道 |
| *QOSA_ADC_CHANNEL_MAX* | 通道数量上限（占位值） |

### qosa_adc_aux_scale_e

ADC分压系数枚举定义如下：

```c
typedef enum
{
    QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_0 = 0,
    QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_1,
    QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_2,
    QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_3,
    QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_4,
    QOSA_ADC_SCALE_MAX,
} qosa_adc_aux_scale_e;
```

| **成员** | **说明** |
| --- | --- |
| *QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_0* | 无内部分压电阻；最大范围：1.6 V |
| *QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_1* | 分压系数1/2；最大范围：3.2 V |
| *QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_2* | 分压系数1/4；最大范围：3.3 V |
| *QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_3* | 分压系数1/8；最大范围：3.3 V |
| *QOSA_ADC_SCALE_LEVEL_4* | 分压系数1/16；最大范围：3.3 V |
| *QOSA_ADC_SCALE_MAX* | 分压系数档位上限（占位值） |

### qosa_adc_ioctl_cmd_e

ADC IOCTL命令枚举定义如下：

```c
typedef enum
{
    QOSA_ADC_IOCTL_NONE,
    QOSA_ADC_IOCTL_SET_SCALE,
} qosa_adc_ioctl_cmd_e;
```

| **成员** | **说明** |
| --- | --- |
| *QOSA_ADC_IOCTL_NONE* | 无操作（占位值） |
| *QOSA_ADC_IOCTL_SET_SCALE* | 设置分压系数 |

# 应用逻辑流程图

```{figure} images/board_OvlfwrIayh9mwKbrqVAcjunzn3e.jpg
:align: center
:alt: image
```

# 示例代码

完整示例代码请查看 https://github.com/UniRTOS/UniRTOS-Doc-Examples/blob/main/peripheral/adc/adc_demo.c