【嵌入式學習心得#4】解析8051 埋控的 ADC 功能

Posted By Ryan Hu on 10 月 28, 2018 in 教學文, 評測, 開發主板 | 0 comments

上次由於篇幅的緣故，和大家分享 8051 的 UART 之後，沒能繼續把 ADC 講完，本篇以最簡單的例子—電壓大小變化，來實作這顆 SN8F5701 埋控的 ADC 功能，文末也會稍微提到我目前正在進行的專案，與 2.4G RF 有關。

類比與數位

我們都知道現實世界是「類比」的，不過類比實在太複雜，於是聰明的人類創造出「數位」來簡化問題。如果不夠清楚，就想像類比是「連續數值的變化」，而數位只有 0 或 1，這之間的轉換牽涉到很多複雜的數學運算，像是傅立葉轉換（fourier tranform），將 time domain 的 data 轉成 frequency domain，讓原本看似沒意義的 function curve 突然間有了生命。ADC的功用就在於將類比形式的連續訊號，轉換為數位形式的離散訊號。

ADC轉換訊號簡易圖（圖片來源：Wikipedia）

ADC（Analog to Digital Converter）

這顆埋控 ADC 的部分是用 SAR 架構（聽說還有很多種），有6 個可以設為 analog input 的 pin 腳位，解析度有 4096 steps。在腦中想像一下長條圖 y 軸的刻度，就是 4096 階；如果 4096 階這個值不變， reference high voltage 和 VSS（通常都是接地 0V）相差的越小（下方會說明），解析度相對就會提高。但這有利有弊，除非進來的 analog 訊號數值和變化真的不大，否則這個情況很難發生。

上述提到的 reference high voltage（參考高電位）和 clock rate 是 ADC 中相當重要的一環，這顆埋控有四個 clock rate 可以選擇，以 datasheet 裡面提到的 converting rate，我目前的理解是每次每個數值轉換（analog to digital）的速率。所以，如果類比訊號進來的很快，但 MCU ADC 的 converting rate 設得太低，讀出來的數值可能會有問題。

之所以說以我目前的理解，是因為我在別顆埋控的 datasheet 裡面有看過 ADC sampling rate，至於這和 converting rate 是否相同，詢問前輩後得知，在大部分的狀況下是一樣的，但有些進階的 ADC 上會不一樣（就我所知 sampling rate 越高，表示越能模擬出真正 analog 訊號的全貌）。

談到參考高電位， SN8F5701 提供 4 個 sources 給開發者選擇，分別是 VDD、4V、3V、2V，以 3V 舉例，因為埋控規定 VSS (0V) <= sampled input voltage 一定要 <= 參考高電位。如果 reference high voltage 設定為 3V ，我只能去測量 0-3V 之間的數值，而 4096 這個解析度，就是將 0-3V 分割成 4096 階，去定義進來的 analog 訊號該對應到什麼二進位的數值，如下圖：