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模拟输入的过程

news 2025/9/21 10:41:30

ADC 的全称是 Analog-to-Digital Converter，中文叫模数转换器。

它的作用就像一位翻译官，负责将现实世界中连续的模拟信号“翻译”成计算机（MCU）能够理解和处理的离散的数字信号。

模拟信号 (Analog Signal)：在时间和数值上都是连续变化的信号。比如：温度、压力、声音、光线强度。你用麦克风录下的一段声音波形就是典型的模拟信号。在电路中，它通常表现为一个连续变化的电压值（例如：0.5V, 1.234V, 3.0V）。
数字信号 (Digital Signal)：在时间和数值上都是离散的、不连续的信号。它只有“高电平”（通常代表数字‘1’）和“低电平”（通常代表数字‘0’）两种基本状态。计算机、STM32单片机只能处理这种0和1组成的数字信号。

所以，ADC的核心工作就是：测量一个引脚上的电压值，然后把它转换成一个数字代码（比如一个12位的二进制数）。

你所说的“GPIO无效”，更准确的理解是：GPIO的数字输入功能被 bypass（旁路）了，引脚被直接切换到了内部的模拟输入模式。

GPIO引脚内部的结构可以看作一个有多路开关的选择器，它可以被配置到不同的通道上：

（这是一个简化的示意图，帮助理解）

数字模式（默认或配置后）：
- 当引脚配置为数字输入时，信号会通过施密特触发器（一个信号整形电路，能将缓慢变化的模拟信号整形成清晰的数字信号0或1），然后送入输入数据寄存器。CPU读取这个寄存器就能知道引脚是“高”（1）还是“低”（0）。
- 当配置为数字输出时，CPU通过写输出数据寄存器来控制引脚输出高电平或低电平。
模拟模式（配置为模拟输入后）：
- 当你将引脚配置为模拟输入（通常通过配置GPIOx_MODER寄存器）时，芯片内部会进行两个关键操作：
  - 断开与内部数字电路的连接（即断开施密特触发器的输入）。这就是“无效”的含义——数字部分再也“看不到”这个引脚的状态了，你读取输入数据寄存器会得到0。
  - 直接连接到内部ADC模块的输入 multiplexer（多路选择开关）上。
- 这样，引脚上的电压信号就毫无衰减地、直接地传递给了ADC采样电路。

为什么要这样做？

让我们把人（程序员）、GPIO和ADC想象成一个团队：

配置阶段（人下指令）：
- 你：通过代码，先将某个GPIO引脚（例如 PA0）配置为模拟模式（GPIOA->MODER |= 0x3;）。这相当于命令：“PA0，你现在是ADC的专属通道了，数字部分你别管了。”
- 你：然后配置ADC模块（例如选择分辨率12位、设置采样时间、开启ADC等）。
执行阶段（ADC干活）：
- ADC：收到启动转换的命令后，内部的多路选择开关会切换到 PA0 对应的通道上。
- 物理世界：一个模拟电压信号（比如来自温度传感器的1.5V）加在 PA0 引脚上。
- 信号路径：这个1.5V的电压直接进入ADC内部的采样保持电路，被“捕获”住。
- 转换：ADC的核心——逐次逼近寄存器（SAR）开始工作，将这个1.5V的电压与一个基准电压（例如3.3V）进行比较，最终计算出一个12位的数字值。
- 公式大致是：Digital Value = (Vpin / Vref) * (2^12 - 1)。
  如果 Vpin = 1.5V, Vref = 3.3V，那么数字值 = (1.5 / 3.3) * 4095 ≈ 1861。
读取结果（人获取信息）：
- 你：从ADC的数据寄存器（ADC1->DR）中读取这个数字值（1861）。
- 你：在你的程序里，可以把这个值直接使用，或者通过公式反向计算出实际的电压值：Voltage = (1861 / 4095.0) * 3.3V ≈ 1.5V。

角色	职责	在模拟输入时的状态
GPIO引脚	物理接口	通道：仅作为电压信号的物理入口，其数字功能被禁用。
ADC	翻译官/测量员	核心：负责精确测量引脚上的电压值，并将其转换为数字代码。
程序员（你）	指挥官	配置GPIO模式和ADC参数，命令ADC开始转换，并读取转换结果。

所以，你的说法非常准确：在模拟输入时，GPIO的数字功能确实“无效”了，它变成了一个纯粹的物理通道，让外部电压信号能够无损地、直接地流入内部的ADC模块进行测量。ADC才是完成从模拟世界到数字世界转换的真正主角。

特性	GPIO (通用输入/输出)	ADC (模数转换器)
核心功能	数字接口：读取或输出高低电平 (0/1)。	模拟接口：测量连续变化的电压值。
处理信号	数字信号（离散的，通常是0V或3.3V）	模拟信号（连续的，如1.2V, 2.78V）
它的角色	**通道/门户	**翻译官/测量员
工作方式	判断电压是否超过某个阈值（如1.8V），然后表示为0或1。	将电压值与参考电压比较，计算出精确的数字值（如12位的0-4095）。
依赖关系	可以完全不依赖ADC独立工作。（例如：读取按键、点亮LED）	必须依赖GPIO引脚。因为没有GPIO引脚，它就无法接收到外部的模拟信号。