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高效信号采集背后的硬件智慧:ADC设计要点深度透视!
13673998452 | 2025-09-12 15:33:51    阅读:194   发布文章

ADC硬件设计的智慧体现在对细节的极致把控。聚焦电路拓扑选择、噪声建模分析及热管理策略,揭示实现可靠信号采集的底层设计逻辑。

在工业现场等恶劣环境中,信号采集的可靠性是首要目标。结合工程经验,剖析ADC硬件的防护设计、冗余架构及长期稳定性保障法则。

本文主要从硬件设计的角度,分享Air8101工业引擎ADC设计中的一些关键注意点,软件开发方面不做深入探讨。

 

一、Air8101外部ADC说明

1.1 外部ADC相关管脚

Air8101有10路外部ADC,相关管脚参考下图橙色方框标注:



注意这些ADC管脚存在复用功能:

除了可以作为ADC使用之外,还可以用作GPIO、UART、PWM、I2C、SPI、RGB等功能。

项目设计时,如果用作其他复用功能,就不能作为ADC使用。

Air8101管脚复用表下载:https://docs.openluat.com/air8101/product/shouce/

Air8101有ADC1、ADC2、ADC3、ADC4、ADC5、ADC6、ADC10、ADC12、ADC13、ADC14,一共10路外部ADC。

这10路ADC复用的对应关系为:

ADC1对应ADC10;

ADC2对应ADC12;

ADC3对应ADC13;

ADC4对应ADC14;

ADC5和ADC6,没有对应的其他ADC通道;

这里的对应关系如何理解呢?

以ADC1对应ADC10为例,意思是在Air8101内部,ADC1和ADC10是同一个ADC通道,ADC1和ADC10不能同时使用。

 

1.2 电压测量要点

Air8101的外部ADC分辨率为12bit;测量电压范围为0到2.4V,不支持内部分压。

1)测量不超过2.4V的外部电压时:

如果外接电路的被测电压不超过2.4V,被测电压可以直连ADC,不需要做任何电路处理;

2)测量超过2.4V的外部电压时:

如果外部电路的北侧电压超过2.4V,必须将外部电压使用电阻分压,使挂在ADC上的电压不超过2.4V。

那么,分压电阻怎么选择呢?

首先,取决于被测电压的值,测量最大电压5V和最大电压12V时的分压电阻肯定是不一样的;

其次,电阻一定要使用1%精度,这样才能尽可能的使分压比符合要求;

再次,可以在ADC输入处增加1个滤波电容,抑制高频噪声,避免ADC读数波动。

以上都是经验之谈,现在我们以被测外部电压为5V,分压后挂在ADC上的电压为1.5V,来举例说明:

 

 ▼   分压电阻示例   ▼


分压比要求:

Vout/Vin=1.5V/5V=0.3,

即:R2=0.3×(R1+R2),

解得R1:R2≈2.33:1。

推荐电阻值:

上拉电阻 R1=2.4MΩ(±1%精度)

下拉电阻 R2=1.0MΩ(±1%精度)

实际分压比:

1.0MΩ/(2.4MΩ+1.0MΩ)≈0.294,

5V分压后为5V×0.294≈1.47V,满足量程不超过2.4V的要求;

相应的,假设通过ADC测得的电压值时1.47V,则可以换算出来被测电压值为:

1.47V/0.294=5V;

需要特别指出的是,即便使用MΩ级别的电阻,系统也会存在固定的功耗浪费:

总电流: I=5V/(2.4MΩ+1.0MΩ)≈1.47μA

总功耗: P=5V×1.47μA=7.35μW

功耗极低,适合电池供电的低功耗场景。

 

 

二、Air8101内部ADC说明
2.1 一路用于检测VBAT电压的ADC

Air8101内部占用了一路ADC,用于检测VBAT引脚的电压:

不需要外接任何硬件电路,直接通过软件API读取VBAT电压即可;

电压测量范围:2.5V-4.35V;

可以使用如下代码读取VBAT电压:



2.2 一路用于检测CPU温度的ADC

Air8101内部占用了一路ADC,用于检测CPU的温度:

不需要外接任何硬件电路,直接通过软件API读取即可;

温度测量范围:-40°C ~ +85°C;

可以使用如下代码读取CPU温度:


 三、硬件设计参考

提供完整的Air8101硬件开发参考设计(以太网、摄像头、音频功放、RS485、RS232、ADC等),以及电源设计总体说明,可参考下方链接详细说明。

Air8101最新硬件参考设计资料下载:

https://docs.openluat.com/air8101/luatos/hardware/design/reference/


今天的内容就分享到这里了!


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