ADC的相关知识整理

最近发生了多起电子表退货的事件，拿回来之后发现是电池没电了，从购买日期算起，已经多数使用超过一年了，符合产品标准。但是由于当初硬件同学定下的最低电压数值太低了，导致在没有达到这个电压的时候就带不动了。这里调整电压后，领导让整理一下ad相关的知识，做个ppt。我这个做软件的电路文盲，为了整理这些东西，查询了数十篇网上的教程，然后翻阅了包括电子表、体温计和智能日历的PCB原理图以及对应平台的datasheet，前后请教了包括我牛逼上天的亲哥、我们牛逼上天的硬件总监以及Nordic的工程师好友。搞出来之后，成就感满满~ 后边发给硬件总监请他指正，这位大爷看完后一脸平静的看着我说，这个都是很基础的东西...好吧，我怎么没有学点电子物理呢阿西吧继续努力吧...好在我这个也不是拿来指导硬件的同学们的，主要还是给我自己以及软件开发参考用。

ADC是什么？

ADC将模拟信号转变为数字信号的电子元件，通常是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
模拟信号：某一个区间内连续的物理信号，比如电压会每时每刻都存在且不停的变化；
数字信号：某一个区间内有限个数的抽象数值记录，比如每隔1秒钟一个电压数值；

采样率和分辨率

采样：在模拟信号上间隔某个固定的时间采集瞬时值，得到一系列的离散值。采样越密集，得到的离散数据集越贴近实际信号。采样率表示采样的频率；
分辨率：输入电压对应分辨率的位数，分辨率=测量电压范围/(2^resolution-1)。比如逐次逼近型的ADC，8位分辨率下，能够将刻度逐次等分8次，每次将精确度提高一倍。假设最大输入电压为3.3V，那么能够分辨的最小电压变化为3.3V/255= 12.94mV.

采样方式

单通道：单个端口采集对GND的电压，受到输入电压的干扰，如果输入电压波动很剧烈，误差会很大（蜂鸟Pro等）；
差分方式：使用两个端口采集，可以一定程度上排除干扰（需要电路上做支持）；

采样原理

ADC有多种不同的设计原理和构造方式，一般嵌入式芯片集成的都是逐次逼近型ADC。
逐次逼近：类似于软件上的二分，通过N个并联的比较电路逐次比较大小，来确定输入电压的范围，每次将数值范围在当前分辨率内减小二分之一，比较电路的数量决定了分辨率（2^N-1）。

基础电路知识

分压:
通过串联电阻进行分压,串联的电阻分得的电压和阻值成正比。
通过串联电容进行分压，串联的电容分得的电压和容值成反比；
不论是电阻还是电容，接通的时候都会导致整个电路电流增大，从而出现压降；

选择合适的参数

判断是否存在差分电路，如没有则是单端采集模式；
判断ADC采集端口的输入范围，比如3.3V；
基于参考电压的增益：比如DA14585内部基准是1.2V，则需要至少3倍增益才能达到3.3V以上的量程；

理解电路逻辑：产品A

v_BAT=(1M+220K)/220K*v_AD；

理解电路逻辑：产品B

v_BAT=vref_adc_value∗3000/4095;

v_BAT =v_BAT*2；

理解电路逻辑：产品C

R_NTC=adc_ntc∗R_REF/(2∗adc_30k-adc_ntc);

结合实际需求：产品D

超低功耗，长时间持续运行
电压一定的时间内变化较小，每隔5分钟测量一次，并取6次的均值；

结合实际需求：产品C

高精度
采集：每隔100ms执行一次测量，每次测量重复64次；
过滤：数据排序后，抛掉前后各30个，取4个中位数的均值，得到这次采集的结果；
去抖动：每秒钟会得到10个处理过后的数值，经过平均后显示到屏幕上（相当于每秒钟执行了6400*2次才得到一个数值）；
进一步提高精度的思考
修改电路，同步修改算法，将单端采集改为差分的模式，NTC一路，30K一路。由于差分是直接计算P、N端口的压差的，会直接消除电压波动带来的误差；

低电量阈值设定方法（硬件同学贡献）

列出电路中各个元器件的最低工作电压，和最大工作电流。保证最大工作电流的情况下，电池电压不能低于元器件的最低工作电压
电子表：以2.3V作为设备的最低截至电压，5mA作为电池放电电流。
eink屏幕-2.3V <1mA
蓝牙-2.0V 5mA
FLASH-1.8V 5mA
MCU ADC测量 1mA
…
将放电曲线根据放电时间，分成10等份，每一份代表10%的电量
将一颗新电池依次放电到100%、90%、80%.... 10%，使用MCU的ADC测量不同阶段时的电压，作为不同电量阶段的电压阈值

附：逐次逼近型ADC内部工作原理

来源：知乎用户 yinweitaiaini ，文章标题：ADC原理简述。原始地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/67245022