STM32学习笔记（八）丨ADC模数转换器（ADC单、双通道转换）

​  本次课程采用单片机型号为STM32F103C8T6。
​  课程链接：江科大自化协 STM32入门教程

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  往期笔记链接：
  STM32学习笔记（一）丨建立工程丨GPIO 通用输入输出
  STM32学习笔记（二）丨STM32程序调试丨OLED的使用
  STM32学习笔记（三）丨中断系统丨EXTI外部中断
  STM32学习笔记（四）丨TIM定时器及其应用（定时中断、内外时钟源选择）
  STM32学习笔记（五）丨TIM定时器及其应用（输出比较丨PWM驱动呼吸灯、舵机、直流电机）
  STM32学习笔记（六）丨TIM定时器及其应用（输入捕获丨测量PWM波形的频率和占空比）
  STM32学习笔记（七）丨TIM定时器及其应用（编码器接口丨用定时器实现编码器测速）

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一、ADC 模数转换器

1.1 ADC简介

  ADC（Analog-Digital Converter），意即模拟-数字转换器，简称模数转换器。ADC可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字变量，建立模拟电路到数字电路的桥梁。与ADC相对应，从数字电路到模拟电路的桥梁即DAC（Digital-Analog Convertor），数模转换器。但是STM32中没有DAC外设，所以这里仅作了解即可。

  DAC不是唯一可以实现将数字量转换为模拟量功能的外设，PWM波形同样实现了用数字量对模拟量进行编码的操作。PWM只有完全导通和完全断开两种状态，故其不存在静态功耗。所以在直流电机调速等大功率的引用场景，使用PWM来对模拟量进行编码是比使用DAC的更好的选择。目前DAC的应用场景通常在波形发生领域，例如信号发生器、音频解码芯片等。

  STM32中的ADC是一个12位的逐次逼近型的ADC，最快转换时间1us。“逐次逼近”是ADC的一种工作模式；“12位”指ADC的分辨率，12位AD值的表示范围即$0\sim 2^{12}-1$，量化值为$0\sim 4095$，位数越高，量化结果约精细，对应ADC的分辨率就越高；转换时间1us对应的频率就是1MHz，这就是STM32中ADC的最快转换频率。
  STM32中的ADC的输入电压范围为$0\sim 3.3V$，对应的转换结果就是$0\sim 4095$。ADC的输入电压一般要求都是要在芯片供电的正负极之间变化的。且电压和转换结果都是一一对应的线性关系。
  STM32中的ADC有18个输入通道，可以测量16个外部信号和2个内部信号源。外部的16个信号源即16个GPIO口（可能来自不同的GPIOx，具体要参考引脚定义），在引脚上直接输入模拟信号即可，不需要额外的测量电路；2个内部信号源分别是内部温度传感器和内部参考电压，温度传感器可以测量CPU的温度，内部参考电压是一个1.2V左右的内部基准电压，且这个内部基准电压是不随外部供电电压变化的。当芯片的供电电压不是准确的3.3V时，就可以通过这个内部的基准电压进行校准来得到正确的电压值。
  STM32还拥有两个增强功能：拥有规则组和注入组两个转换单元。普通的AD转换流程为：先启动一次转换，之后读值，依次循环。STM32的ADC可以将要转换的通道列为一组，每一次连续转换多个值。规则组用于常规使用，注入组一般用于突发事件。
  STM32中还拥有一个模拟看门狗（AWD），可以自动监测输入电压范围。STM32的ADC一般可以用于测量光线强度、温度。这里的模拟看门狗实现的功能是：监测温度（光强），当其高于某个阈值，或低于某个阈值时，申请中断，之后可以在中断函数中执行相应的操作。

  本节课程使用的STM32F103C8T6的ADC资源为：ADC1、ADC2，10个外部输入通道，即最多只能测量10个外部引脚的模拟信号。上文中提及的16个外部信号源指这个系列最多拥有16个外部信号源。每个芯片型号对应的通道数量可以参考手册。

1.2 逐次逼近型ADC工作原理

  下图所示的即为逐次逼近型ADC的工作原理图（ADC0809）。STM32中的ADC的结构与此类似，学习下面的结构可以帮助我们理解STM32中ADC的工作原理。

  ADC0809是一个独立的8位逐次逼近型ADC芯片。它拥有IN0~IN7，8个输入通道，通过地址锁存器和译码器电路实现对通道的选择，且每一次转换通道选择开关只能转换一个通道的信号。ADC转换的速度非常快，从信号转换开始到结束只需要几个us的时间，如果想转换多路信号，不必设计多个ADC，只需要在每一次转换前通过多路选择开关选择要转换的通路即可。 STM32的ADC拥有18个输入通道，与这里的8个输入通道的结构相对应。
  ADC内部拥有一个DAC模块，其内部是通过加权电阻网络实现模数转换，可以将逐次逼近寄存器SAR的值转换为对应的模拟电压值，将其电压值再与待测电压相比较，比较结果控制SAR中存储的值，直到DAC输出的电压与外部通道输入的电压近似相等，DAC输入的数据就是外部电压的编码数据了。为了最快找到未知编码的电压，通常使用二分法进行查找。且使用二分法查找未知电压的编码的好处在于：每次选择比较的值（$2^n$）恰好为对应二进制数字的每一位的权数，判断过程相当于，从高位到底位依次判断为1还是为0的过程。要找到未知编码的电压，8位ADC需要判断8次，12位ADC需要判断12次。转换结束后，ADC的输入数据就是未知电压的编码，通过8位数字输出端口（D0~D7）进行输出。
  结构图上方的EOC（End Of Convert）是转换结束信号。该芯片通过START端口控制转换开始，CLOCK控制ADC内部的转换工作频率。$V_{REF(+)}$和$V_{REF(-)}$是DAC的参考电压，定义数据对应的电压范围（255对应3.3V或5V）。通常芯片的工作电压正极$V_{cc}$和$V_{REF(+)}$相同，接在一起；通常芯片的工作电压负极$GND$和$V_{REF(-)}$相同，接在一起。

1.3 STM32中的ADC基本结构

  STM32中ADC的结构框图如上图所示。其“模拟至数字转换器”模块的工作模式与ADC0809在原理上完全相同。不同点有以下几点：

1. 普通的ADC多路开关一般只选中一个，STM32的ADC可以同时选中多个通道进行转换，规则组最多同时选中16个通道，注入组一次最多可以选中4个通道。（以餐厅点菜模型为例，普通模式为每次点一个菜，做好菜后上菜；STM32可以做到每次列出一个菜单，规则组一次最多可以列16个菜，注入组一次最多可以列4个菜，做好后依次上菜）

2. STM32中的ADC的转换结果会被存储在对应的数据寄存器中。对于规则组通道，其只有一个数据寄存器（餐桌上只能摆一个菜），后转换的数据会将之前转换的数据覆盖，之前转换的数据就会丢失。对于规则组通道，要想实现同时转换的功能，最好配合DMA来将转换后的数据及时转运，就可以保证转换的数据不会丢失了。对于注入组通道，它拥有4个数据寄存器（餐厅的VIP坐席，餐桌上一次可以摆四个菜）。对于注入组而言，就不用担心数据覆盖的问题了。一般情况下，使用规则组和DMA就可以满足大部分的使用需求。（这里只讲解规则组使用，注入组自行了解即可）

3. 结构图的左下角为触发转换信号，对应ADC0809的START信号。STM32的触发转换信号来源有两种：软件触发和硬件触发。硬件触发信号可以来自于定时器的各个通道、定时器TRGO主模式的输出，外部中断EXTI。

     定时器可以通过主模式输出TRGO控制ADC、DAC等外设，用于通过硬件电路自动触发转换。ADC经常需要过一个固定的时间段转换一次，例如可以每隔1ms转换一次。通过定时器，每隔1ms申请一次中断，在中断函数中手动通过软件触发开启一次转换也可以实现功能，但是频繁进中断会对主程序造成一定的影响。并且在不同的中断之间，由于优先级的不同，有可能会使某些中断不能及时得到响应。如果触发ADC的中断没有及时得到响应，那么ADC的转换频率就肯定会受影响了。所以对于这种需要频繁进中断，但是在中断函数中只完成了简单工作的情况，一般都会有硬件电路的支持。

4. 在STM32中，$V_{REF(+)}$一般和$V_{DDA}$（ADC模块的正极供电引脚）接在一起，$V_{REF(-)}$一般和$V_{SSA}$（ADC模块的负极供电引脚）接在一起。本课程使用的芯片没有单独的$V_{REF(+)}$和$V_{REF(-)}$的引脚，它在芯片内部就已经和对应引脚连接在一起了。（$V_{DDA}$和$V_{SSA}$是STM32模拟部分的电源，例如ADC、RC振荡器、锁相环等，在套件中的最小系统板中已经将$V_{DDA}$与3.3V、$V_{SSA}$与GND相连接了）。

5. 这里ADC的时钟ADCCLK是来自于RCC的APB2时钟。由原理图可得，ADCCLK最大为14MHz，所以ADC预分频器只能选择6分频（得到12MHz）和8分频（得到9MHz）两个值。

6. ADC可以通过DMA请求信号触发DMA转运数据。（这部分内容会在下一小节STM32学习笔记（九）中涉及）

7. 模拟看门狗的功能是监测指定的通道。可以设置模拟看门狗的阈值高限（12位）、阈值底限（12位）和指定“看门”的通道。只要通道的电压值超过阈值范围，模拟看门狗就会“乱叫”，申请一个模拟看门狗的中断，之后通向NVIC。

8. 规则组和注入组在转换完成后会生成一个转换完成的信号。EOC为规则组转换完成的信号，JEOC为注入组转换完成的信号。这两个信号会在状态寄存器中置一个标志位，我们通过读取状态寄存器，就可以知道转换是否完成了。同时这两个标志位也可以通过配置通向NVIC申请中断。

1.4 STM32中ADC的输入通道

  

1.5 STM32中的ADC的四种工作模式

  

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  持续更新完善中……

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