ESP32-S3模数转换器（ADC）

什么是模数转换器（ADC）🔍？

---

模数转换器（ADC）是一种将模拟信号（如电压）转换为数字信号的设备。在ESP32-S3中，ADC用于将模拟电压转换为数字值，以便微控制器可以处理。

ADC 转换器可分为：

• 并行比较型A/D 转换器(FLASH ADC)
• 逐次比较型A/D 转换器(SAR ADC)
• 双积分式A/D 转换器(Double Integral ADC)

ESP32-S3中集成了两个SAR ADC

A/D 转换过程通常为 4 步：采样、保持、量化和编码：

1. 采样：在这个阶段，连续的模拟信号被转换为离散的信号。这是通过在特定的时间间隔内测量信号的值来完成的。

2. 保持：在这个阶段，采样值被“保持”或固定，以便进行下一步的量化。这是必要的，因为量化过程需要一定的时间，而我们不希望在这个过程中输入信号发生变化。

3. 量化：在这个阶段，保持的采样值被近似为一组预定义的离散值。这是通过将输入信号的范围划分为一组小的区间（每个区间对应一个数字值）来完成的。

4. 编码：在这个阶段，量化的值被转换为数字二进制代码，以便于数字系统处理。

这四个步骤共同构成了模数转换的过程，使得模拟信号可以被数字系统处理和理解。

衰减值和分辨率的概念🎊

---

衰减值

衰减值（Attenuation）在模数转换器（ADC）中，指的是在将模拟信号送入ADC进行转换之前，通过电子电路（如分压器）有意降低信号幅度的过程。这样做主要是为了匹配ADC的输入范围，确保信号不会超过ADC的最高可测量电压（满量程电压）。如果原始信号的电压范围超过了ADC的输入电压限制，不进行衰减可能会导致信号失真或者损坏ADC。

对于衰减值11dB意味着信号功率或电压幅度减少大约一半。在分贝(dB)的表达中，功率衰减遵循公式：

$$\text{dB}=10\cdot {\log }_{10}\left(\frac{P_1}{P_2}\right)$$

至于电压衰减，鉴于功率与电压平方成正比 $P\propto V^2$，相应的转换公式为：

$$\text{dB}=20\cdot {\log }_{10}\left(\frac{V_1}{V_2}\right)$$

因此，若信号遭受11dB的衰减，这意指着电压幅度减小约 $\sqrt{10^{\frac{11}{20}}}$倍，等价于更直观的百分比形式，即信号维持了原初幅度的大约79.4%，或者说损失了20.6%。更精确地，

$$V_2=V_1\cdot 10^{-\frac{11}{20}}\approx 0.891V_1$$

因此，经历11dB衰减的信号，其电压水平将减至初始值的约89.1%，相应地，电压幅度减少了大约10.9%。

分辨率

在模数转换器(ADC)领域，分辨率是指ADC能够区分输入模拟信号细微差异的能力，即能够检测的最小电压变化量。简而言之，它体现了ADC输出数字信号时的精度。

分辨率通常由ADC的位数来表述。一个N位的ADC能够输出$2^N$个不同的数字量。例如，一个8位的ADC能够输出从0到255即 $(2^8-1)$ 的数字值，而一个12位的ADC则能输出0到4095即 $(2^{12}-1)$ 的值。这意味着，12位的ADC相比8位ADC，在相同的电压范围内能够提供更精细的量化。

分辨率与实际电压的对应关系可通过以下公式计算：
$$\text{分辨率}=\frac{\text{满量程电压}}{2^N-1}$$
假设一个ADC的工作电压范围是0至3.3V，对于一个12位的ADC：
$$\text{分辨率}=\frac{3.3V}{4095}\approx 0.000806V或者0.806mV$$
这意味着，如果输入电压有任何大于0.806毫伏的变化，12位的ADC就能检测到并反映在输出的数字值上。因此，高分辨率ADC适合用于需要高度精确测量的应用场景，如精密仪器、传感器读数或是音频处理等领域。

ESP32-S3的ADC特性

---

ESP32-S3 集成了两个 12 位 SAR（逐次逼近寄存器） ADC，ADC1 和 ADC2，支持20 个模拟通道输入。这 20个模拟通道输入对应着具体的 IO。

ADC1型：

• 10 通道：GPIO1 - GPIO10

ADC2型：

• 10 通道：GPIO11 - GPIO20

ESP32-S3的ADC模块的分辨率为12位，所以AD转换后的值范围为0~4095。由于ESP32-S3的工作电压为3.3V，所以当AD值为4095时，对应的电压为3.3V；当AD值为0时，对应的电压为0V。

这里的关系可以用一个简单的公式来表示，即：

$$引脚输入的电压=\frac{引脚AD的值}{4095}\times 3.3V$$

如何使用ESP32-S3的ADC

---

1️⃣配置 ADC

该函数用于配置 ADC 各项参数，其函数原型如下所示：

esp_err_t adc_digi_controller_configure(const adc_digi_configuration_t *config)

该函数的形参描述如下：

形参	描述
config	指向 ADC 配置结构体的指针，需自行定义，并根据 ADC 的配置参数填充结构体中的成员变量

该函数的返回值描述如下：

返回值	描述
ESP_OK	返回：0，配置成功
ESP_ERR_INVALID_ARG	无效参数
ESP_ERR_INVALID_STATE	驱动程序状态无效

该函数使用 adc_digi_configuration_t 类型的结构体变量传入 ADC 外设的配置参数，该结构体的定义如下所示：

typedef struct {bool conv_limit_en;uint32_t conv_limit_num;uint32_t pattern_num;adc_digi_pattern_config_t *adc_pattern;uint32_t sample_freq_hz;adc_digi_convert_mode_t conv_mode;adc_digi_output_format_t format;
} adc_digi_configuration_t;

该函数的使用示例如下：

#include "driver/gpio.h"void example_fun(void)
{adc_digi_pattern_config_t adc1_digi_pattern_config; // 定义 ADC1 的模式配置结构体adc_digi_configuration_t adc1_init_config; // 定义 ADC1 的初始化配置结构体/* 配置 ADC1 */adc1_digi_pattern_config.atten = ADC_ATTEN_DB_11; // 设置衰减为 11dBadc1_digi_pattern_config.channel = ADC_ADCX_CHY; // 设置通道为 ADC_ADCX_CHYadc1_digi_pattern_config.unit = ADC_UNIT_1; // 设置单元为 ADC_UNIT_1adc1_digi_pattern_config.bit_width = ADC_BITWIDTH_12; // 设置位宽为 12 位adc1_init_config.adc_pattern = &adc1_digi_pattern_config; // 将 ADC1 的模式配置结构体赋值给初始化配置结构体的 adc_pattern 成员adc_digi_controller_configure(&adc1_init_config); // 调用 adc_digi_controller_configure 函数配置 ADC 数字控制器
}

当然，以下是整理后的格式：

2️⃣读取 ADC 原始数据

该函数用于读取 ADC 原始数据，其函数原型如下所示：

int adc1_get_raw(adc1_channel_t channel);

该函数的形参描述如下：

形参	描述
channel	ADC 通道

该函数的返回值描述如下：

返回值	描述
-1	读取失败
其他值	ADC 的原始数值

该函数的使用示例如下：

uint32_t adc_get_result_average(uint32_t ch, uint32_t times)
{uint32_t temp_val = 0; // 定义一个临时变量用于存储 ADC 读取的值uint8_t t;for (t = 0; t < times; t++) // 循环 times 次{temp_val += adc1_get_raw(ch); // 读取 ADC 的原始值并累加到 temp_valvTaskDelay(5); // 延时 5ms}return temp_val / times; // 返回平均值
}

程序设计 💻

---

首先配置ADC以从通道7（即GPIO8）读取电压，然后将读取到的电压值打印到串口。

#include "driver/adc.h"
#include "esp_adc_cal.h"
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_log.h"#define ADC_CHANNEL ADC_CHANNEL_7 // GPIO8
#define ADC_ATTEN ADC_ATTEN_DB_11
#define ADC_UNIT ADC_UNIT_1
#define ADC_WIDTH ADC_WIDTH_BIT_12
#define NUM_SAMPLES 64 // 多次采样
#define TAG "ADC"void example_fun(void)
{adc_digi_pattern_config_t adc1_digi_pattern_config; // 定义 ADC1 的模式配置结构体adc_digi_configuration_t adc1_init_config; // 定义 ADC1 的初始化配置结构体adc1_digi_pattern_config.atten = ADC_ATTEN_DB_11; // 设置衰减为 11dBadc1_digi_pattern_config.channel = ADC_CHANNEL; // 设置通道为 ADC_CHANNELadc1_digi_pattern_config.unit = ADC_UNIT_1; // 设置单元为 ADC_UNIT_1adc1_digi_pattern_config.bit_width = ADC_BITWIDTH_12; // 设置位宽为 12 位adc1_init_config.adc_pattern = &adc1_digi_pattern_config; // 将 ADC1 的模式配置结构体赋值给初始化配置结构体的 adc_pattern 成员adc_digi_controller_configure(&adc1_init_config); // 调用 adc_digi_controller_configure 函数配置 ADC 数字控制器
}uint32_t adc_get_result_average(uint32_t ch, uint32_t times)
{uint32_t temp_val = 0; // 定义一个临时变量用于存储 ADC 读取的值uint8_t t;for (t = 0; t < times; t++) // 循环 times 次{temp_val += adc1_get_raw(ch); // 读取 ADC 的原始值并累加到 temp_valvTaskDelay(5); // 延时 5ms}return temp_val / times; // 返回平均值
}void app_main(void)
{example_fun(); // 配置 ADCwhile (1) // 无限循环{uint32_t voltage = adc_get_result_average(ADC_CHANNEL, NUM_SAMPLES); // 读取 ADC 的平均值ESP_LOGI(TAG, "平均ADC读数: %d", voltage); // 将 ADC 的平均值打印到串口vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时 1s}
}

总结

参考资料
正点原子DNESP32S3 开发板教程-IDF 版
乐鑫ESP32-IDF