树莓派 Pico ADC 底层全解析：硬件架构、工作模式、寄存器与应用避坑

1.ADC 外设简介

RP2040 内置了一个逐次逼近型（SAR）ADC，该 ADC 使用独立的 48MHz 时钟，最大采样速率可达 500ksps（每秒 500,000 次采样），适合于中等速率的信号采集，其分辨率为 12 位，意味着它可以将模拟信号转换为 4096（2^12）个不同的数字值（该 ADC 的有效位数 ENOB 为 8.7，表示实际能达到的精度）。

RP2040 内置的 ADC 外设与 GPIO 的连接如下：

这里，有一个数字控制器专门负责管理 ADC 的操作，并提供了额外的功能：

• ​单次采样模式或自由运行采样模式​：ADC 可以配置为只执行一次采样（One-shot 单次模式），或者连续不断地进行采样（free-running capture mode 自由运行模式）
• 带有DMA​​接口的采样 FIFO​：ADC 采样的数据会存储在一个 FIFO 缓冲区中，并且可以通过 DMA（直接存储器访问）接口将数据传输到系统内存中，减轻 CPU 的负担
• ​节拍定时器​：该定时器具有 16 位整数和 8 位小数的分辨率，用于设置自由运行模式下的采样速率，节拍定时器可以精确控制采样的时间间隔
• ​轮询采样多个通道​：在自由运行模式下，ADC 可以轮流对多个输入通道进行采样，而不仅限于单个通道，这在需要同时采集多个信号时非常有用
• ​可选的右移至 8 位​：在自由运行模式下，采样结果可以选择性地右移到 8 位，这样采样数据可以以字节（8 位）形式通过 DMA 传输到系统内存中的缓冲区，对于减少内存占用和处理字节数据更为方便

在使用 ADC 外设时，需要注意需要确保引脚的数字功能被禁用。这是通过设置引脚的 Pad Control 寄存器中的 IE 位（输入使能）为低电平（IE = 0）和 OD 位（开漏驱动）为高电平（OD = 1）来实现的。

此外，ADC 输入电压的最大值是由数字 IO 供电电压（IOVDD）决定的，而不是 ADC 供电电压（ADC_AVDD）。例如，如果 IOVDD 供电电压为 1.8V，那么即使 ADC_AVDD 供电电压为 3.3V，ADC 输入电压也不应超过 1.8V。否则，电压超过 IOVDD 会导致通过 ESD 保护二极管产生泄漏电流，可能会损坏芯片。

树莓派 Pico 的 ADC 引脚输入阻抗大约为 100KΩ，这个阻抗对于大多数应用来说是合适的，如果信号源阻抗高于 ADC 输入阻抗，可能导致信号衰减，降低测量精度。

前面我们提到，RP2040 内置了一个逐次逼近型（SAR）ADC，其结构框图如下：

SAR ADC 内部 DAC 单元是关键组成部分之一，的作用是将数字信号转换为模拟信号，用于与输入的模拟信号进行比较

SAR ADC 的工作过程可以概述如下：

1. ​逐位逼近​：SAR ADC 通过逐次逼近算法进行模数转换，首先，它从最高有效位 MSB 开始，将该位设置为 1，然后通过内部 DAC 将此数字信号转换为模拟电压
2. ​比较器比较​：然后，这个生成的模拟电压与输入的模拟信号进行比较，如果 DAC 生成的电压比输入的模拟信号高，SAR 会将该位清零；如果低，则保持为 1
3. ​继续逐位逼近​：这个过程会依次进行，逐次决定每个位的值，直到所有位都确定下来
4. ​最终输出​：在完成所有位的逐次逼近后，最终的数字值就代表了输入模拟信号的数字化结果

DAC​单元在这个过程中不断地生成不同的电压值，并与输入信号进行比较，以逐步确定输入信号的数字值。因此，DAC 的精度和线性度对于 SAR ADC 的整体性能至关重要。在 RP2040 的 ADC 中，这个 DAC 单元是内置的，不需要外部的 DAC 模块来完成​模数转换​过程。

SAR ADC（逐次逼近寄存器模数转换器）是由数字控制器和模拟电路组合而成，该 ADC 需要一个 48MHz 的时钟（clk_adc），可以来自 USB PLL（锁相环）。采样一次需要 96 个时钟周期（96 × 1/48MHz）= 2 微秒，采样频率为 500ksps 的情况下。在启用 ADC 之前，必须正确设置时钟。

一旦为 ADC 模块提供了时钟并取消了其复位，通过将 CS 控制寄存器的 EN 位设置为 1，那么将启动 ADC 的模拟硬件的短暂内部上电序列；经过几个时钟周期后，CS 控制寄存器的 READY 位将变为高电平，表示 ADC 已准备好开始第一次转换。

ADC 可以随时通过清除 CS 控制寄存器的 EN 位来禁用，以节省电能，需要注意的是，ADC 的输入是电容性的，会在输入端内置 1pF 的电容，在 500ksps 的采样速率下，其有效阻抗也超过 100kΩ，对于直流测量，通常不需要缓冲。

2.ADC 工作模式

RP2040 的 ADC 可以选择两个工作模式：

• ​单次采样模式​：该模式适用于需要在特定时刻进行一次性模数转换的场景，启动一次转换后，ADC 会在 96 个时钟周期内完成采样并返回结果
• ​自由运行采样模式​：这种模式适用于需要连续采样的场景，例如实时数据采集，ADC 在完成一次转换后会自动开始下一次转换，除非特意设置延迟

2.1 单次采样模式

在单次采样模式下，通过将 CS.START_ONCE 数据位写入 1，可以立即启动一个新的模数转换过程。当转换开始时，CS.READY 数据位会变为低电平，表示当前正在进行转换。经过 96 个 clk_adc 时钟周期后，CS.READY 数据位会再次变为高电平，表明转换已经完成。

转换完成后，12 位的转换结果将会存储在 RESULT 寄存器中。

在开始转换之前，可以通过写入 CS.AINSEL 数据位来选择需要采样的 ADC 输入通道。AINSEL 的值为 0 到 3 时，对应选择 GPIO 26 到 29 的 ADC 输入通道；当 AINSEL 的值为 4 时，选择的是内部温度传感器。

需要注意的是，在切换 ​​AINSEL​​ 值时，不需要等待稳态时间，这意味着你可以在转换开始前任意切换输入通道，而不会对转换结果产生负面影响。

2.2 自由运行采样模式

在自由运行采样模式下，通过设置 CS.START_MANY 位位，ADC 将自动以固定的间隔启动新的转换。最新的转换结果始终保存在 RESULT 寄存器中。然而，如果需要通过中断（IRQ）或 DMA 进行采样数据的传输，则必须启用 ADC 的 FIFO。

通过调节 DIV 分频寄存器的 DIV.INT 和 DIV.FRAC 数据位，可以控制采样速率：

默认情况下（DIV = 0），新转换在前一个转换完成后立即开始，因此每 96 个时钟周期会产生一个新的采样数据。假设时钟频率为 48MHz，这将使 ADC 的采样速率达到 500k 样本每秒（ksps）。

如果将 DIV.INT 设置为某个正值 n，则 ADC 将在每 n + 1 个时钟周期触发一次，尽管如果当前正在进行转换，ADC 会忽略该触发信号，因此通常 n 应该大于或等于 96。例如，将 DIV.INT 设置为 47999 时，如果使用 48MHz 的时钟，ADC 将以 1k 样本每秒的速度运行。

定时器支持分数速率分频。当 DIV.FRAC 数据位设置为非零值时，ADC 将在 1 + INT + FRAC/256 个时钟周期平均启动一次新转换，并通过在 INT + 1 和 INT + 2 之间改变采样间隔来实现。

3.多输入采样

通过设置 CS 寄存器的 RROBIN 数据位可以进入多输入采样模式，使得 ADC 自动切换采样不同的输入通道，从而实现在自由运行模式下，自动轮流采集多个输入通道的数据，无需手动干预：

在 CS.RROBIN 数据位中，设置某个位为 1 就会让对应的输入通道被 ADC 自动采样。设置多个位为 1 时，ADC 会按照这些通道的顺序轮流采样；如果 CS.RROBIN 中的所有位都设置为 0，那么循环采样功能将被禁用，即 ADC 只会一直采样当前的 CS.AINSEL 指定的通道。

即使 AINSEL 的初始值不在 RROBIN 指定的通道中，ADC 仍然会从当前通道开始工作，并逐个采样 RROBIN 中设置的通道。例如 AINSEL 的初始值为 0，RROBIN 设置为 0x06（即只设置了第 1 和第 2 位），则 ADC 将按照以下顺序进行通道采样：

1. 通道 0
2. 通道 1
3. 通道 2
4. 通道 1
5. 通道 2
6. 通道 1……

并会一直按照这个顺序重复采样直到失能 CS.RROBIN 数据位。

4.采样接收 FIFO

在 RP2040 的 ADC 模块中，采样结果可以直接从 RESULT 寄存器读取，也可以存储在一个本地的接收 FIFO 缓冲区中，我们通过 FIFO 寄存器读出。

FIFO 操作由 FCS FIFO 控制寄存器寄存器控制：

其中，各个标志位含义如下：

4.1 FIFO 的使能和读取

当 FCS.EN 数据位被设置为 1 时，每次 ADC 转换的结果将被写入 FIFO，此时，我们可以：

• 软件轮询 FCS 寄存器的状态位,等待每个采样数据可用时进行读取
• 使用中断或 DMA 在收到 ADC 的 IRQ 中断信号或 DREQ DMA 请求信号后,从 FIFO 中读取采样数据

4.2 FIFO 的溢出

如果 FIFO 已满时又有新的转换结果到来，会设置 FCS.OVER 错误标志位，但 FIFO 中的现有数据不会被覆盖；这种情况下,后续的转换结果会丢失。

4.3 FIFO 数据写入格式

FCS 寄存器有两个位用于控制写入 FIFO 的数据格式:

• FCS.SHIFT 位：当设置为 1 时，FIFO 中的数据会被右移 4 位(FIFO 的 bits 7:0 对应转换结果的 bits 11:4)。这样可以方便 8 位 DMA 传输到字节缓冲区，以实现更深的捕获缓冲区,但会牺牲一些精度。
• FCS.ERR 位：当设置为 1 时，FIFO 中每个值的 ERR 标志位都会被置位，表示发生了转换错误，此时我们应该尝试使用下一次采样得到的数据或增大转换时间。

需要注意的是，虽然 FIFO 数据发生了位移，但 ​​FIFO.ERR​​ 标志位会保持在原来的位置,仍然指示该样本是否发生了转换错误；换句话说，即使开启了 FCS.SHIFT 来缩小 FIFO 数据宽度，FIFO.ERR 标志位依然会准确地指示该样本是否经历了转换错误，不会因为数据位移而发生改变。

这些错误表明在规定的时间内，一个或多个位的比较未能完成。通常，这是由比较器亚稳态引起的，即当输入信号接近比较器阈值时，转换所需的时间更长。

4.4 FIFO 与 DMA 配合使用

RP2040 的 DMA 控制器可以通过读取 ADC 样本 FIFO 寄存器来获取 ADC 样本。这一过程由 ADC_DREQ 系统数据请求信号控制。在使用 DMA 传输 ADC 数据时，需要注意以下几点：

1. ​启用 FIFO (FCS.EN)：​FIFO 必须启用，以便将 ADC 转换结果写入 FIFO。默认情况下，FIFO 是禁用的，以防止在执行一次性转换时意外填充 FIFO。
2. 启用 ​ADC​​ 的DMA​​请求 (FCS.DREQ_EN)：​必须启用 ADC 的 DMA 请求信号 DREQ，以便 DMA 可以根据 ADC 的请求信号从 FIFO 读取数据
3. 选择 ​DMA​​​ 通道的 DREQ_ADC 数据请求信号：​使用的 DMA 通道必须选择 DREQ_ADC 数据请求信号，以确保 DMA 可以与 ADC 的数据请求信号同步工作
4. ​设置 DREQ 断言阈值 (FCS.THRESH)：​DREQ 断言阈值应设置为 1，以便当 FIFO 中有一个样本时，DMA 就开始传输。需要注意的是，这也是 IRQ 断言的阈值，因此在非 DMA 使用场景中，可能会需要更高的值来减少中断频率
5. 8 位 ​DMA​​​ 传输的配置：​如果 DMA 传输大小设置为 8 位（即将数据传输到内存中的字节数组），则必须启用 FCS.SHIFT，以预先将 FIFO 样本右移变为一个字节的数据
6. ​多通道采样配置：​如果需要采样多个输入通道，可以在 CS.RROBIN 中设置对应通道的 5 位掩码（包括 4 个外部输入通道和温度传感器），此外，CS.AINSEL 必须选择第一个采样通道
7. 配置 ​ADC​​​ ​采样率​​：​在启动 ADC 之前，应该先配置好 ADC 采样率

配置好 ADC 之后，应先启动 DMA 通道，然后启动 ADC 转换（通过设置 CS.START_MANY 数据位）。DMA 完成后，可以停止 ADC 或迅速启动新的 DMA 传输。清除 CS.START_MANY 数据位 以停止 ADC 之后，软件应轮询 CS.READY 数据位确保最后一次转换已完成，并清空 FIFO 中的任何多余的采样数据。

4.5 FIFO 与中断配合使用

当 FIFO 中的采样数量达到可配置的阈值 FCS.THRESH 时,可以生成中断。但需要注意的是，我们需要先使能通过 INTE 寄存器的 FIFO 数据位使能中断：

中断状态可以从 INTS 寄存器中读取。通过将 FIFO 中的采样数量降到低于 FCS.THRESH 设置的采样阈值来清除中断：

我们可以通过 INTF 寄存器手动触发 ADC 中断，设置位为 1 则强制触发中断,而不需要等待 FIFO 中的采样数量达到阈值：

我们可以通过 INTS 寄存器来读取中断屏蔽和强制操作后的中断触发情况：

5.ADC 的有效精度

这里，数据手册中还提到了对 RP2040 的 ADC 精度进行测试的内容，测量了其有效位数（ENOB），简单来说，对其 ADC 的 ENOB(有效位数)、INL(积分非线性)和 DNL(微分非线性)三个参数指标进行测试，具体内容这里并不进行详细解读，需要的同学可自行查看。

6.内置温度传感器

RP2040 微控制器的温度传感器通过测量一个偏置双极型二极管的基极-发射极电压（Vbe）来确定温度。该传感器连接到第五个 ADC 通道（AINSEL=4）。通常情况下，Vbe 在 27°C 时约为 0.706V，温度与电压的关系如下：

T = 27 - (ADC_voltage - 0.706) / 0.001721

这里，ADC_voltage 代表基极-发射极电压，它随温度变化而改变，每升高 1°C，Vbe 电压降低约 1.721mV。

需要注意的是，温度传感器对参考电压的误差非常敏感。例如：参考电压降低 1%（如从 3.3V 降到 3.267V），同样的 ADC 值 891 对应的温度会变为 24.3°C。仅 1% 的参考电压变化会导致超过 4°C 的温度误差。因此，为提高内部温度传感器的精度，建议考虑使用外部参考电压。

在使用温度传感器之前,需要先通过 CS.TS_EN 数据位使能其偏置电源,这会增加 ADC_AVDD 上约 40μA 的电流消耗。

RP2040 的温度传感器适合基本的温度测量，但在高精度场合需要考虑参考电压的稳定性，并可能需要进行校准以补偿 Vbe 和 Vbe 斜率的变化。