单片机怎么把电压变成数字？｜单片机动画课 06

按钮通常只问“按下没有”，但光线、温度、旋钮位置常常需要表达程度。如果一个传感器把变化变成电压，单片机怎样理解它？

它需要 ADC，也就是模数转换器。ADC 在某个时刻取得输入信息，再把它归入有限个数字等级。 数字更细，不等于天然更准。

GIF 使用理想教学模型，非芯片内部结构图、非仿真、非实测。为了看清量化台阶，图中采用虚构的 3 位、8 等分 ADC；它不代表 Uno R3 或 ESP32 的真实转换曲线。

先在时间上取一个样本

输入电压可能连续变化，程序却不能用一串有限数字保留每一个瞬间。采样，就是在选定的时刻取得输入值。

第一张图里，曲线一直向前，只有标记的位置形成样本。两次采样之间发生的细节，并没有被这几个样本完整记录下来。如果信号变化太快而采样太稀，还可能把快变化看成另一种慢变化。

因此，读取频率要与想观察的现象匹配。测一个人慢慢转动的旋钮，与观察快速音频信号，不是同一个时间要求。本课先建立这个概念，不把一条平滑插值曲线当成原始测量的全部内容。

再把电压放进一个格子

假设把 0～4V 均分为八个区间，每格宽 0.5V，编号为 0～7。这是特意简化的 3 位量化模型：因为 2 的 3 次方等于 8。

在这个模型中，2.2V 落在 2.0～2.5V 的区间，输出编号 4。2.3V 也落在同一格，仍然输出 4。可见数字暂时不变，不代表电压一点都没变；变化可能还没跨过下一个区间边界。

真实 ADC 的转换门限、端点行为、偏移和误差应以数据手册为准。这里使用均匀分格，是为了讲清“连续值变成有限编号”，不能把这张简图当成某颗芯片的精确公式。

Uno R3 的 ATmega328P 提供 10 位 ADC，常见读数是 0～1023，共 1024 个编码。多出来的位数让格子更细，但供电噪声、参考误差和器件误差不会因为位数增加而自动消失。

同一个数字，要看使用哪把尺

假设电压仍为 2.2V，把刚才教学模型的满量程从 4V 改成 3.2V。八等分后每格变成 0.4V，2.2V 就落入编号 5 的区间。

这说明原始读数是相对于量程和参考条件的编码，不是带着单位的电压。把数字换算成伏特，需要知道有效量程和转换关系。

注意：动图是在切换两套理想量尺，并没有演示“只改一个寄存器，就能任意改变真实芯片参考电压”。芯片支持哪些参考源、允许怎样配置，都有具体约束。

对于 Uno R3，可以先看懂这一个调用：

int raw = analogRead(A0);  // 得到 ADC 原始编码

它不直接返回温度、亮度，也不保证返回伏特数。如果传感器输出每变化一定电压代表一度温差，还要结合传感器自己的关系式再换算。

ESP32 的情况又有区别：Arduino-ESP32 的 analogRead() 返回未校准原始值，而 analogReadMilliVolts() 返回校准后的毫伏结果。可测范围与芯片型号和衰减配置有关，不能把所有读数一律乘上“3.3/4095”就称为准确电压。

一个常见误区

“12 位一定比 10 位测得准。”位数首先描述编码分辨率。精度还取决于误差、参考、噪声和校准。更细的尺刻度，如果尺本身不准，仍然可能把数写得很精细却离真实值很远。

多个样本求平均有时能减小某些随机噪声的影响，但不能自动消除系统性偏差，也不能恢复根本没有采到的快速细节。

看完再猜

在本课 0～4V 八等分模型中，从 2.2V 变到 2.3V，数字为什么没变化？

因为两者还在同一个量化区间。你已经理解了 ADC 最重要的一步：它交给程序的是有限等级的编号。下一课，我们把这些数字串起来，看看它们怎样沿着通信线到达另一块板。

资料：Arduino 模拟输入、Espressif ADC 文档。

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