13、江科大stm32视频学习笔记——ADC模数转换器原理

目录

1、ADC、DAC、PWM

2、12位逐次逼近型ADC，1us转换时间

3、ADC输入电压范围：0~3.3V，转换结果范围：0~4095

4、ADC有18个输入通道

5、规则组和注入组两个转换单元

6、STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道

7、ADC基本结构

8、输入通道

9、规则组的4种转换模式

（1）单次转换非扫描模式 

（2）连续转换非扫描模式

（3）单次转换扫描模式

（4）连续转换扫描模式

10、触发控制（软件触发）

11、数据对齐

12、转换时间（AD转换很快，一般忽略）

13、硬件电路

 

1、ADC、DAC、PWM

        DAC：数字到模拟的桥梁（PWM控制灯的亮度和电机旋转的速度），DAC的使用只要是在信号发生器、音频解码芯片等

        PWM：数字到模拟的桥梁，例如PWM控制灯的亮度和电机旋转的速度，PWM只有完全导通和完全断开两种状态，在这两种状态都没有功率损耗，故直流电机调速这种大功率的应用场景，使用PWM来等效模拟量，是比DAC更好的选择，PWM电路更简单，更常用

2、12位逐次逼近型ADC，1us转换时间

• 逐次逼近型是ADC的工作模式
• 12位是分辨率，12位AD值，表示的范围是1~2^12-1,就是量化结果的范围是0~4095，位数越高，量化结果就越精细，对应分辨率就越高
• 转换时间：就是转换频率，1us就表示从AD转换开始到产生结果，需要花1us的时间，对应AD转换的频率就是1MHz，这是STM32 ADC的最快转换频率，若要转换一个高频率的信号，就要考虑转换频率是否够用，如果信号频率比较低，最大1MHz的转换频率完全够用，

3、ADC输入电压范围：0~3.3V，转换结果范围：0~4095

• 电压和转换结果之间存在线性关系

4、ADC有18个输入通道

• ADC有18个输入通道，可测量16个外部（16个GPIO口）和2个内部信号源（内部温度传感器和内部参考电压）（芯片中ADC最多有18个，不是所有的芯片都有18个）
• 温度传感器可测量CPU的温度，例如在电脑上显示CPU温度，可以读取温度传感器来测量
• 内部参考电压是一个1.2伏左右的基准电压，是不随外部供电电压变化而变化的，所以当芯片的供电不是标准的3.3伏，会导致测量外部引脚的电压可能就出错，此时就可以读取这个基准电压进行校准，这样就能得到正确的电压值了

5、规则组和注入组两个转换单元

• 一般可以用于测量光线强度、温度这些值
• 如果光线高于某个预值、低于某个预值，或者温度高于某个预值、低于某个预值时，就会执行一些操作
• 模拟开门狗可以监测指定的某些通道，当AD值高于他设定的上域值，或者低于下域值时。就会申请中断，然后就可以在中断函数里，执行相应的操作

6、STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道

也就是本实验使用的stm32最多只能测量10个外部引脚的模拟信号

7、ADC基本结构

• 左边是输入通道16个GPIO口外加2个内部的通道
• 进入AD转换器的两个组：规则组（最多选中16个通道）和注入组（最多选择4个通道），转换的结果存放在AD数据寄存器
• AD数据寄存器：规则组只有1个数据计算器，注入组有4个
• 触发控制：提供开始转换START信号,触发控制可以选择软件触发和硬件触发,硬件触发主要是来自于定时器,也可以选择外部中断的硬件
• RCC的ADC时钟CLOCK：推动ADC逐次比较的过程
• 模拟看门狗：监测转换结果的范围,如果超出设定的预值就通过中断输出控制,向NVIC申请中断
• 另外规则组和注入组转换完成后,会有个EOC信号,它置自己一个标志位，可以通向NVIC
• 开关控制：ADC_Cmd函数，给ADC上电的

8、输入通道

9、规则组的4种转换模式

单次转换非扫描模式、连续转换非扫描模式、单次转换扫描模式、连续转换扫描模式

（1）单次转换非扫描模式 

• 非扫描的模式下，只有第一个序列1的位置有效
• 在序列1的位置，我们可以指定想转换的通道，比如通道2，写到序列1的位置
• 然后触发转换，ADC就会对这个通道2进行模数转换，转换完成后，转换结果放在数据计算器里，同时给EOC标志位置1，转换结束
• 通过判断这个EOC标志位是否转换完成，若完成，就可以在数据寄存器里读结果
• 若想再启动一次转换，需要再触发一次，转换结束至EOC标志位读结果
• 若想换一个通道转换，在转换之前，把第一个位置的通道2改成其他通道，然后再启动转换这样就行了

（2）连续转换非扫描模式

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• 非扫描模式：菜单列表就只用第一个
• 连续转换：在一次转换结束后不会停止，而是立刻开始下一轮的转换，然后一直持续下去，只需要最开始触发一次，就可以一直转换
• 读取的时候不用判断是否结束，直接从数据寄存器读即可

（3）单次转换扫描模式

• 单次转换：每触发一次，转换结束后就会停下来，下次转换需要再触发
• 扫描模式：会用到这个菜单列表了，通道几(相当于菜)可以任意指定，且可以重复，初始化结构体有个参数表示通道数目（比如7个），说明只需要用多少序列
• 为了防止数据被覆盖，用DMA及时将数据挪走，7个通道转换完成之后产生EOC信号，转换结束
• 然后再触发，重新开始

（4）连续转换扫描模式

 就是一次转换完成后，立刻开始下一次的转换

10、触发控制（软件触发）

11、数据对齐

• 上图：右对齐读数据寄存器，就是转换结果，左对齐读取数据寄存器，比实际大16倍
• 左对齐应用：不想要这么高的分辨率，你觉得0-4095数太大了，左对齐后取高八位即可，就从12位的ADC退化为8位了

12、转换时间（AD转换很快，一般忽略）

• 采样保持电路：量化编码之前,设置一个采量开关,先打开采样开关,收集外部的电压(比如可以用一个小容量的电容,存储一下这个电压,存储好了之后断开采样开关
• 再进行后面的AD转换,这样再量化编码的期间电压始终保持不变。
• 采样保持的过程的需要闭合采样开关过一段时间再断开，就会产生一个采样时间
• 总转换时间为：TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期（多了0.5个周期，可能是做其他事情需要花的时间）
• 采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰，不过转换时间也会相应延长
• ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK,这个ADCCLK最大是14兆赫值例如：           当ADCCLK=14MHz，采样时间为1.5个ADC周期                                                    TCONV = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期 = 1μs(故最快是1us)

13、硬件电路

（1） 电位器产生一个可调的电压的电路

中间的滑动端可以输出一个0~3.3伏可调的电压输出来,

上滑时电压增大,下滑时电压减小,若阻值太小，电阻就会比较费电

（2）分压方法输出传感器组织的电路

• 传感器输出电压的电路，例如光敏电阻、热敏电阻、红外接头管、麦克风等都可以等效为一个可变电阻
• 那电阻阻值得通过和一个固定电阻串联分压，来得到一个反应电阻值电压的电路，
• 当传感器阻止变小时，下拉作用变强，输出端电压就下降
• 传当感器组织变大时，下拉作用变弱，输出端受上拉电阻的作用，电压就会升高
• 固定电阻建议选择和传感器阻值相近的电阻，才可以得到一个位于中间电压区域，比较好的输出
• 此处传感器和固定电阻的位置也调换，输出电压的极性就反过来了

（3）简单的电压转换电路

• 想测一个0-5V的VIN电压，到那时ADC只能接收0~3.3V的电压，就可以搭建此类电路
• 使用电阻分压，上面阻值17K，下面阻值33K，加一起50K，
• 中间的电压就是VIN/50K*33K,得到的电压范围就是0-3.3伏,就可以进入ADC转换了
• 想要其他范围（如5V、10V）的VIN电压可类似操作，电压再高一点就不建议了，不安全