3.12. 使用 ADC 讀取類比訊號

到目前為止，相機讀取的都是數位訊號——接腳不是 0 就是 1，開關不是斷開就是閉合。但實際感測器輸出的大多數訊號都是類比的：一種在某個範圍內平滑變化的連續電壓。當環境亮度改變時，光敏電阻會掃過電源軌之間的每一個電壓值。當房間升溫時，溫度感測器的輸出會漂移數毫伏特。麥克風的輸出則會隨著周圍的聲音上下起伏。

類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC）就是兩者之間的橋樑。它會對接腳上的電壓取樣，並回傳一個整數，讓 Python 能像讀取其他數值一樣讀取它。

3.12.1. 量化

數位值無法精確表示連續電壓。ADC 的工作就是量化——把每個取樣值貼齊到一組固定電平中最接近的那一個。N 位元的 ADC 有 2^N 個電平；12 位元的轉換器在其輸入範圍內分布著 4096 個電平。

量化：類比訊號（實線）的每個取樣值都被捨入到有限的一組數位電平之一（階梯狀虛線）。

兩個相鄰電平之間的電壓就是 ADC 的步階大小；任何比它更小的變化都會在捨入中消失。在 3.3 V 範圍上的 12 位元 ADC，其步階大小約為 3.3 / 4096 ≈ 0.8 mV——精細到足以讓大多數訊號在軟體中看起來實際上是連續的。

3.12.2. machine.ADC 類別

machine.ADC 封裝了一個類比輸入通道。用你想讀取的接腳來建構它，然後呼叫 read_u16()：

from machine import ADC

adc = ADC("P6")
value = adc.read_u16()
print(value)

read_u16() 永遠回傳一個介於 0 與 65535 之間的無號 16 位元整數。原生的 ADC 解析度會因開發板而異（STM32 上為 12 位元，其他平台則視埠而定）；結果會被左對齊到 16 位元，因此硬體細節不會洩漏到 Python 中——不論是哪顆晶片，65535 都代表滿刻度。

參考電壓——也就是對應到滿刻度的輸入——取決於開發板。請查閱 OpenMV 開發板 以取得你的相機上的數值。任何高於參考電壓的輸入都會被讀成滿刻度（若超過絕對最大輸入電壓，還可能損壞接腳）。

3.12.2.1. 將計數值轉換為電壓

從計數值到電壓的對應是線性的，滿刻度計數值正好對應到 Vref：

voltage = counts × Vref / 65535

在程式碼中：

VREF = 3.3  # cam-dependent; see the quickref
counts = adc.read_u16()
voltage = counts * VREF / 65535
print(voltage, "V")

3.12.3. 分壓器

在一條電壓軌與接地之間串聯兩個電阻，就形成了一個分壓器。它們之間的節點所處的電壓由兩個電阻的比值決定：

分壓器：串聯的 R1 與 R2 將 Vin 按比例降至 V_out。

V_out = Vin × R2 / (R1 + R2)

相等的電阻會得到電源軌電壓的一半；R2 遠小於 R1 會讓引出點接近接地；R2 遠大於則會讓它接近電源軌。

這個公式假設沒有其他元件從 V_out 抽取明顯的電流。ADC 接腳是高阻抗的（百萬歐姆等級、奈安培等級的電流），輕易就能滿足這項條件，因此饋入 ADC 的分壓器其行為會與公式所預測的一致。

3.12.4. 電位器

電位器是一個單一的實體元件，本身就是一個分壓器，它有一個滑動的滑臂，可在兩端之間移動引出點。轉動旋鈕會同時改變 R1 與 R2，同時保持它們的總和（電位器的總電阻）不變。

電位器作為 ADC 的手動電壓源接線：一端接 3.3 V，另一端接地，滑臂接到接腳。

電位器是試用 ADC 的標準輸入裝置。將一端接到 3.3 V，另一端接地，滑臂接到一支支援 ADC 的接腳；轉動旋鈕就會讓滑臂掃過電源軌之間的每一個電壓值。

import time
from machine import ADC

pot = ADC("P6")
VREF = 3.3

while True:
    counts = pot.read_u16()
    voltage = counts * VREF / 65535
    print(voltage, "V")
    time.sleep_ms(100)

3.12.5. 用分壓器讀取較高的電壓

高於 Vref 的電壓會把 ADC 釘在滿刻度，若超過絕對最大額定值還可能損壞輸入。若要讀取較高的訊號源——例如電池，或範圍超出 Vref 的感測器輸出——請在它抵達接腳之前，用一個固定分壓器將它按比例降低：

將高電壓源縮放至符合 ADC 範圍：R1 與 R2 組成一個固定分壓器，其引出點饋入 ADC 接腳。

選擇 R1 與 R2，使得在你預期的最高輸入電壓下，分壓後的電壓仍保持在 ADC 的範圍之內：

V_adc = V_in × R2 / (R1 + R2)

對於最大 V_in = 12 V 與 3.3 V 的參考電壓，比值 R2 / (R1 + R2) 必須至多為 3.3 / 12 ≈ 0.275。一個帶有少許餘裕的常見選擇是 R1 = 33 kΩ、R2 = 10 kΩ。比值為 10 / 43 ≈ 0.233，因此 V_adc 最高約為 12 × 0.233 ≈ 2.79 V——安全地低於 Vref。

若要從 ADC 讀值還原出原始的 V_in，將分壓公式反推即可：

V_in = V_adc × (R1 + R2) / R2

在程式碼中：

from machine import ADC

R1 = 33_000
R2 = 10_000
VREF = 3.3

adc = ADC("P6")

counts = adc.read_u16()
v_adc = counts * VREF / 65535
v_in = v_adc * (R1 + R2) / R2
print(v_in, "V")

幾點實務注意事項：

• 分壓器會持續抽取 V_in / (R1 + R2) 的電流。當 R1 + R2 = 43 kΩ 且 V_in = 12 V 時，約為 280 µA——通常可忽略不計，但如果訊號源是電池供電，可考慮使用較大的電阻（100 kΩ 至 1 MΩ）以降低待機耗電。

• 電阻的容差（通常為 ±1 % 或 ±5 %）會直接影響量測精度。兩個 ±5 % 的電阻在最壞情況下可能使還原出的 V_in 產生約 ±10 % 的誤差。

• 分壓器的源阻抗會與任何雜散電容結合，對輸入進行低通濾波。對於快速變化的訊號這很重要；但對於電池電壓的檢查則無關緊要。