第11章：ADC 原理与模拟量采集
本章深入讲解 ADC（模数转换器）的工作原理、Pico 的 ADC 特性以及模拟传感器的数据采集方法。
11.1 ADC 基础概念
11.1.1 什么是 ADC
ADC（Analog-to-Digital Converter）将连续的模拟信号转换为离散的数字值。
模拟信号 采样 量化 编码
│ │ │ │
~~~ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1001
│ ■ ■ ■ ■ 0111
~~~ ■ ■ ■ ■ 0101
时间轴上取点 对应到离散级别 转为二进制
11.1.2 关键参数
| 参数 | 说明 |
|---|---|
| 分辨率 | 量化级别数（如 12 位 = 4096 级） |
| 采样率 | 每秒采样次数（SPS） |
| 参考电压 | 量程上限（Pico 为 3.3V） |
| 输入范围 | 可测量的电压范围 |
| LSB | 最小可分辨电压 |
11.1.3 Pico ADC 特性
| 特性 | 数值 |
|---|---|
| 分辨率 | 12 位（原生），MicroPython 映射为 16 位 |
| 通道数 | 4（3 外部 + 1 内部温度） |
| 采样率 | 最高 500kSPS |
| 参考电压 | 3.3V（默认）或 ADC_VREF |
| 输入阻抗 | 约 100kΩ |
11.2 ADC 数据编码
11.2.1 MicroPython 数据格式
from machine import ADC
adc = ADC(26) # GP26 / ADC0
# read_u16() 返回 16 位无符号整数 (0-65535)
raw_value = adc.read_u16()
# 实际 ADC 为 12 位，高 4 位为 0，或由驱动扩展
11.2.2 电压计算
def adc_to_voltage(raw, vref=3.3):
"""
将 ADC 原始值转换为电压
raw: read_u16() 返回值 (0-65535)
vref: 参考电压 (默认 3.3V)
"""
return raw * vref / 65535
# 示例
raw = adc.read_u16()
voltage = adc_to_voltage(raw)
print(f"原始值: {raw}, 电压: {voltage:.3f}V")
11.2.3 分辨率与精度
12 位 ADC:
- 量化级别: 2^12 = 4096
- LSB = 3.3V / 4096 ≈ 0.8mV
MicroPython 16 位映射:
- 映射级别: 2^16 = 65536
- 映射 LSB = 3.3V / 65536 ≈ 0.05mV (理论值，实际受限于 12 位硬件)
11.3 基础 ADC 读取
11.3.1 单次读取
'''
实验：ADC 基础读取
接线：传感器模拟输出连接 GP26 (ADC0)
'''
from machine import ADC
import time
adc = ADC(26)
while True:
raw = adc.read_u16()
voltage = raw * 3.3 / 65535
print(f"ADC: {raw:5d} 电压: {voltage:.3f}V")
time.sleep(0.5)
11.3.2 多通道读取
'''
实验：三通道 ADC 读取
'''
from machine import ADC
import time
adc0 = ADC(26) # GP26
adc1 = ADC(27) # GP27
adc2 = ADC(28) # GP28
while True:
v0 = adc0.read_u16() * 3.3 / 65535
v1 = adc1.read_u16() * 3.3 / 65535
v2 = adc2.read_u16() * 3.3 / 65535
print(f"ADC0: {v0:.3f}V | ADC1: {v1:.3f}V | ADC2: {v2:.3f}V")
time.sleep(0.5)
11.3.3 内部温度传感器
'''
实验：读取 Pico 芯片温度
'''
from machine import ADC
import time
temp_sensor = ADC(4) # 内部温度传感器
def read_temperature():
"""读取芯片温度"""
raw = temp_sensor.read_u16()
voltage = raw * 3.3 / 65535
# 温度计算公式（来自 RP2040 数据手册）
# T = 27 - (V - 0.706) / 0.001721
temperature = 27 - (voltage - 0.706) / 0.001721
return temperature
while True:
temp = read_temperature()
print(f"芯片温度: {temp:.1f}°C")
time.sleep(1)
11.4 信号滤波
11.4.1 为什么需要滤波
ADC 采样可能受到：
- 电源噪声
- 电磁干扰
- 热噪声
滤波可以平滑信号，提高稳定性。
11.4.2 移动平均滤波
'''
实验：移动平均滤波
'''
from machine import ADC
import time
adc = ADC(26)
class MovingAverage:
"""移动平均滤波器"""
def __init__(self, size=10):
self.size = size
self.buffer = [0] * size
self.index = 0
self.sum = 0
self.count = 0
def add(self, value):
"""添加新样本"""
self.sum -= self.buffer[self.index]
self.buffer[self.index] = value
self.sum += value
self.index = (self.index + 1) % self.size
self.count = min(self.count + 1, self.size)
return self.get_average()
def get_average(self):
"""获取平均值"""
if self.count == 0:
return 0
return self.sum / self.count
# 创建滤波器（窗口大小 10）
filter = MovingAverage(10)
while True:
raw = adc.read_u16()
filtered = filter.add(raw)
print(f"原始: {raw:5d} 滤波后: {filtered:7.1f}")
time.sleep(0.1)
11.4.3 中值滤波
def median_filter(adc, samples=5):
"""中值滤波（对脉冲噪声有效）"""
values = [adc.read_u16() for _ in range(samples)]
values.sort()
return values[samples // 2]
# 使用
raw = median_filter(adc, 5)
11.4.4 指数加权移动平均 (EWMA)
class EWMA:
"""指数加权移动平均"""
def __init__(self, alpha=0.2):
"""alpha: 平滑因子，0 < alpha < 1，越小越平滑"""
self.alpha = alpha
self.value = None
def add(self, new_value):
if self.value is None:
self.value = new_value
else:
self.value = self.alpha * new_value + (1 - self.alpha) * self.value
return self.value
# 使用
ewma = EWMA(alpha=0.1)
while True:
raw = adc.read_u16()
filtered = ewma.add(raw)
print(f"原始: {raw} EWMA: {filtered:.0f}")
time.sleep(0.05)
11.5 电位器模块
11.5.1 工作原理
旋转电位器是可变电阻：
VCC ─────┬─────
│
┌─┴─┐
│ │
│ R │ 可变电阻
│ │
└─┬─┘
│
S ───────┼─────→ 到 ADC
│
┌─┴─┐
│ │
│ R │
│ │
└─┬─┘
│
GND ─────┴─────
输出电压 = VCC × (旋钮位置 / 总行程)
11.5.2 电位器读取
'''
实验：旋转电位器
接线：S 端连接 GP26 (ADC0)
'''
from machine import ADC
import time
pot = ADC(26)
def read_pot_percent():
"""读取电位器百分比位置"""
raw = pot.read_u16()
percent = raw / 65535 * 100
return percent
while True:
position = read_pot_percent()
print(f"位置: {position:.1f}%")
time.sleep(0.1)
11.5.3 电位器控制 LED 亮度
'''
实验：电位器调节 LED 亮度
'''
from machine import ADC, Pin, PWM
import time
pot = ADC(26)
led = PWM(Pin(0))
led.freq(1000)
while True:
# 直接用电位器值控制占空比
duty = pot.read_u16()
led.duty_u16(duty)
time.sleep(0.05)
11.6 数据映射
11.6.1 线性映射函数
def map_value(value, in_min, in_max, out_min, out_max):
"""
线性映射
将 value 从 [in_min, in_max] 映射到 [out_min, out_max]
"""
return (value - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min
# 示例：ADC (0-65535) 映射到角度 (0-180)
adc_value = adc.read_u16()
angle = map_value(adc_value, 0, 65535, 0, 180)
11.6.2 校准映射
'''
实验：传感器校准
'''
def calibrated_map(value, cal_low, cal_high, out_min, out_max):
"""
使用校准值映射
cal_low, cal_high: 实际测量的最小/最大 ADC 值
"""
if value < cal_low:
value = cal_low
if value > cal_high:
value = cal_high
return (value - cal_low) * (out_max - out_min) / (cal_high - cal_low) + out_min
# 校准步骤
print("校准：将传感器置于最小值位置，按回车")
input()
cal_min = adc.read_u16()
print("校准：将传感器置于最大值位置，按回车")
input()
cal_max = adc.read_u16()
print(f"校准值: min={cal_min}, max={cal_max}")
# 使用校准值
while True:
raw = adc.read_u16()
mapped = calibrated_map(raw, cal_min, cal_max, 0, 100)
print(f"原始: {raw} 映射: {mapped:.1f}%")
time.sleep(0.5)
11.7 ADC 采样优化
11.7.1 过采样提高分辨率
通过多次采样平均，可以提高有效分辨率：
def oversampling_read(adc, oversample=16):
"""
过采样读取
每增加 4 倍采样，理论上增加 1 位有效分辨率
"""
total = sum(adc.read_u16() for _ in range(oversample))
return total // oversample
# 16 倍过采样 → 约增加 2 位有效分辨率
raw = oversampling_read(adc, 16)
11.7.2 定时采样
'''
实验：固定频率采样
'''
from machine import ADC, Timer
import time
adc = ADC(26)
samples = []
SAMPLE_RATE = 100 # Hz
def sample_callback(timer):
"""定时器回调采样"""
samples.append(adc.read_u16())
# 设置定时器
timer = Timer()
timer.init(freq=SAMPLE_RATE, callback=sample_callback)
# 采样 1 秒
time.sleep(1)
timer.deinit()
print(f"采集了 {len(samples)} 个样本")
print(f"平均值: {sum(samples) / len(samples):.0f}")
11.8 常见问题
11.8.1 ADC 值不稳定
原因：
- 电源噪声
- 浮空输入
- 高阻抗信号源
解决方案：
# 1. 使用滤波
filtered = median_filter(adc, 5)
# 2. 并联电容（硬件）
# 在 ADC 输入端并联 100nF 电容
# 3. 限制输入阻抗
# 信号源阻抗不应超过 10KΩ
11.8.2 读数范围不满
# 检查传感器输出范围
# 如果传感器输出 0-5V，而 ADC 只能测 0-3.3V
# 需要电阻分压:
# 5V信号 → [R1 3.3K] → ADC → [R2 5K] → GND
# 这样 5V 会被分压为 ~3V
11.9 本章小结
本章介绍了 ADC 原理与模拟量采集：
- ADC 基础：
- 将模拟信号转换为数字值
- Pico 有 3 个外部 ADC 通道 + 1 个内部温度传感器
- MicroPython 返回 16 位值（0-65535）
- 数据编码：
- 电压 = raw × 3.3 / 65535
- 支持线性映射到任意范围
- 信号滤波：
- 移动平均滤波
- 中值滤波
- 指数加权移动平均
- 采样优化：
- 过采样提高分辨率
- 定时采样保证频率稳定
下一章将学习环境光与紫外线传感器。