NanoE (四) 电位器与模数转换器实验

Philsjy

模拟信号与数字信号转换 - ADC实验

一、模拟信号与数字信号

在学习 ADC 之前，我们要首先学习什么是模拟信号，什么是数字信号。

特性	模拟信号	数字信号
时间	连续	离散
幅值	连续	离散
示例	温度变化、天体运动等	网络传输数据、电子钟表

模拟信号与数字信号

我们举个简单的例子：

指针时钟显示的就是时间的模拟信号，他表示时间是连续变化的；
数字时钟显示的就是时间的数字信号，时间的显示是按照固定增量变化的，他可以显示 1、2、3，但是无法显示 1.1、2.1、等，所以在数字电路中使用的数字信号一般只能取 0 或 1，把 0 对应为低电平，把 1 对应为高电平，所以有或者没有数字信号是在模拟信号的基础上依次经过 采样、量化、编码而形成的；

ADC 工作原理

采样 就是把输入的模拟信号按适当的时间间隔得到各个时刻的样本值；
量化 是把经采样测得的各个时刻的值用二进制码来表示；
编码则是把量化生成的二进制数排列在一起形成顺序脉冲序列。

二、模数转换器 (ADC)

（一）ADC 的功能

定义：ADC（Analog to Digital Converter）将模拟信号转换为数字信号。
应用：将变化的电压转成数字信号供单片机处理。

（二）输入电压范围

默认配置下，ADC 引脚输入电压必须在 0.0V 和 1.0V 之间。
超过 1.0V 的值将读为 4095。
可通过配置衰减器增加测量范围。

三、硬件电路设计

（一）电位器

电位器相当于一个滑动变阻器，两端引脚阻值是固定的，中间引脚对任何一端的引脚阻值是可变的，他等效于从中间把电位器分成两个串联的电阻，串联总阻值是确定的，一端接输入电源，一端接地。

（二）物料清单 (BOM)

材料名称	数量
NanoE 单片机	1
电位器	1
杜邦线(跳线)	若干
面包板	1

（三）电路连接

将材料按照下图相连：电位器一端接 3V3 引脚，中间引脚接 D7，另一端引脚接地。

另外可再将电位器中间引脚接D13，通过LED灯亮度反应模拟值的输入。

四、软件程序设计

（一）使用 `analogRead()` 和 `analogWrite()`实现模拟值打印和LED灯亮度控制

打开工具，确保波特率设置为115200。

示例代码

#define POT 7  // 定义引脚7为电位器输入引脚  

int pot_value;  // 用于存储电位器的值  
 

void setup() {  
  // 初始化设置，运行一次  
  Serial.begin(115200);  // 初始化串口通信，波特率115200  
  pinMode(POT, INPUT);   // 设置引脚7为输入模式  
}  

void loop() {  
  // 主循环，重复运行的代码  
  pot_value = analogRead(POT);  // 从引脚7读取电位器的模拟值  
  
  Serial.println(pot_value);  // 打印读取的电位器值  
  delay(50);  // 延迟50毫秒，以稳定读取  
}

1. 代码编译成功并上传后，在工具中查找，或直接点击页面右上方小图标，打开内置的串口监视器；

2. 在其窗口设置波特率为115200，并点击切换自动滚动；

3. 旋转电位器，通过串口监视器窗口观察模拟值输入变化以及LED灯亮暗变化；

4. 这样我们就实现了利用电位器实现模拟值的打印和LED灯亮度控制。

我们可以修改代码, 引入analogWrite()函数：

#define POT 7  // 定义引脚7为电位器输入引脚  
#define LED 13 

int pot_value;  // 用于存储电位器的值  
int led_value;    

void setup() {  
 
  pinMode(POT, INPUT);   // 设置引脚7为输入模式  
  pinMode(LED, OUTPUT);   
}  

void loop() {  
  // 主循环，重复运行的代码  
  pot_value = analogRead(POT);  // 从引脚7读取电位器的模拟值  
  
  led_value = pot_value / 16;  
  analogWrite(LED, led_value);
  delay(50);  // 延迟50毫秒，以稳定读取  
}

（二）ADC 方法使用说明

1. 上述实验和我们这一节要讲的数模转换器并不是一件事，我们查看esp32-hal.h文件，可以看到ADC的所有控制函数：

#ifndef MAIN_ESP32_HAL_ADC_H_
#define MAIN_ESP32_HAL_ADC_H_
 
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
 
#include "esp32-hal.h"
 
typedef enum {
    ADC_0db,
    ADC_2_5db,
    ADC_6db,
    ADC_11db
} adc_attenuation_t;
 
/*。
*获取引脚的ADC值。
**/
uint16_t analogRead(uint8_t pin);
 
/*。
*设置aliogRead返回值的分辨率。默认值为12位(范围从0到4096)
*如果在9和12之间，它将等于设置的硬件分辨率，否则值将移位
*范围为1-16
*注：与Arduino SAM兼容
*/
void analogReadResolution(uint8_t bits);
 
/*。
*设置采样位和读取分辨率
*默认值为12位(0-4095)
*范围为9-12
*/
void analogSetWidth(uint8_t bits);
 
/*。
*设置每个样本的周期数
*默认为8，似乎表现不错
*范围为1-255
*/
void analogSetCycles(uint8_t cycles);
 
/*。
*设置范围内的样本数
*默认值为1
*范围为1-255
*此设置将范围拆分为
*“样本”件，可能看起来
*就像敏感度成倍增长
*那么多次
*/
void analogSetSamples(uint8_t samples);
 
/*。
*设置ADC时钟的分频器
*默认值为1
*范围为1-255
*/
void analogSetClockDiv(uint8_t clockDiv);
 
/*
 * Set the attenuation for all channels
 * Default is 11db
 * */
void analogSetAttenuation(adc_attenuation_t attenuation);
 
/*
*设置所有通道的衰减
*默认值为11db
**/
void analogSetPinAttenuation(uint8_t pin, adc_attenuation_t attenuation);
 
/*。
*获取霍尔传感器的值(不带LNA)
*连接到引脚36(SVP)和39(SVN)
**/
int hallRead();
 
/*。
*非阻塞接口(差不多)
*
*注：ADC转换一次只能针对单个管脚运行。
*这意味着如果要在同一总线的两个引脚上运行ADC
*需陆续运行。或许最好的用法是。
*在两辆巴士上并行开始转换
**/
 
/*。
*将引脚连接到ADC(还将清除任何其他可能开启的模拟模式)
**/
bool adcAttachPin(uint8_t pin); 
 
/*
*在连接的引脚总线上开始ADC转换
**/
bool adcStart(uint8_t pin);
 
/*
*检查引脚的ADC总线上的转换当前是否正在运行
**/
bool adcBusy(uint8_t pin);
 
/*
*获取转换结果(未完成将等待)
**/
uint16_t adcEnd(uint8_t pin);
 
#ifdef __cplusplus
}
#endif
 
#endif /* MAIN_ESP32_HAL_ADC_H_ */

2. ADC 函数说明

analogReadResolution(resolution) 设置样本大小位和分辨率。它可以是一个介于 9（0 - 511）和 12 位（0 - 4095）之间的值，默认是 12 位分辨率（最大）。这与NanoC不同
adcAttachPin(pin)
添加一个引脚到 ADC（也请确保其他模式可以是 on）。返回 TRUE 或 FALSE 结果。
analogSetAttenuation(attenuation) 设置所有 ADC 引脚的输入衰减。默认是 ADC_11db。其他取值：
ADC_0db: 集没有衰减。 ADC 可以测量最大约 800mV（1V 输入 = ADC 读取 1088）。
ADC_2_5db: ADC 的输入电压将被衰减，扩展测量范围至约 1100mV（1V 输入 = ADC 读取 3722）。
ADC_6_db: ADC 的输入电压将被衰减，扩展测量范围至约 1300mV（1V 输入 = ADC 读取 3033）。
ADC_11db: ADC 的输入电压将被衰减，扩展测量范围至约 2600mV（1V 输入 = ADC 读取 1575）。
analogSetPinAttenuation(pin, attenuation) 设置指定引脚的输入衰减。默认是 ADC_11db。衰减值与前一个函数相同。

3. 示例代码

这一次我们使用LEDC模块来控制灯的亮度，而非 analogWrite()函数:


#define POT        7            // 定义电位器连接的引脚为 7  
#define LED        13           // 定义LED连接的引脚为 13  
#define CHANNEL      0          // 定义PWM通道为 0  
#define RESOLUTION   12          // 定义ADC分辨率为 12 位（最大值为 4095）  
#define FREQ       1000          // 定义PWM信号的频率为 1000 Hz  

int pot_value;                    

void setup() {  
    analogReadResolution(RESOLUTION); // 设置模拟读取的分辨率为 12 位  
    analogSetAttenuation(ADC_11db);   // 设置ADC的衰减为 11dB，以支持更高的输入电压范围  
    ledcSetup(CHANNEL, FREQ, RESOLUTION); // 初始化LEDC通道，设置频率和分辨率  
    ledcAttachPin(LED, CHANNEL);       // 将LED引脚附加到LEDC通道，以便后续控制  
}  

void loop() {  
    pot_value = analogRead(POT);      
    ledcWrite(CHANNEL, pot_value);     // 将电位器的值作为 PWM 信号写入 LED，引脚控制 LED 亮度  
    delay(50);                         
}