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stm32学习笔记-7ADC模数转换器

7 ADC模数转换器

文章目录

7 ADC模数转换器
- 7.1 模数转换器原理
- - 7.1.1 ADC电路结构
  - 7.1.2 引脚复用关系
  - 7.1.3 规则组的转换模式
  - 7.1.4 触发转换信号
  - 7.1.5 数据对齐
  - 7.1.6 转换时间
  - 7.1.7 校准
  - 7.1.8 外围电路设计
  - 7.1.9 总结
- 7.2 实验：ADC单通道
- 7.3 实验：ADC多通道

注：笔记主要参考B站江科大自化协教学视频“STM32入门教程-2023持续更新中”。
注：工程及代码文件放在了本人的Github仓库。

7.1 模数转换器原理

ADC（Analog-Digital Converter）模拟-数字转换器 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。当然，也存在数字到模拟的桥梁，如DAC、PWM波等，并且由于PWM只有完全导通和完全断开两种状态，PWM电路简单且没有额外的功率损耗，所以相比DAC，使用PWM来等效模拟量更适合直流电机调速等大功率应用场景（惯性系统）。而DAC主要应用于波形生成领域，如信号发生器、音频解码芯片等。c8t6的stm32只有ADC外设，没有DAC外设，下面是ADC参数的介绍：

12位逐次逼近型ADC，1us转换时间（信号频率较高时需要注意）。

输入电压范围：0~3.3V，转换结果范围：0~4095。

18个输入通道，可测量16个外部（GPIO口）和2个内部信号源（内部温度传感器和内部参考电压）。

内部温度传感器：可以测量芯片温度，比如电脑CPU的温度显示。

内部参考电压：是一个1.2V左右的基准电压，不随外部供电电压变化。如果外部供电电压不是3.3V，那读取GPIO口的电压就不对，此时就可以通过读取这个基准电压来校准。

规则组和注入组两个转换单元，是stm32的ADC增强功能。

模拟看门狗自动监测输入电压范围，当AD值高于上阈值或低于下阈值时，就会申请中断，可减轻软件负担。

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

ADC的知识点比较琐碎，下面将依次介绍：

1. ADC电路结构：包括逐次逼近型ADC结构和stm32中的ADC结构。
1. 引脚复用关系：ADC输入17种输入通道的引脚定义。
1. 规则组的转换模式：ADC的4种配置方式。
1. 触发转换信号：启动ADC转换一次的信号。
1. 数据对齐：ADC转换之后的结果，采用左对齐/右对齐。
1. 转换时间：如何计算ADC的转换时间。
1. 校准：ADC的校准电路。
1. 外围电路设计：如何设计一个稳定的外部模拟输入源。
1. 总结：直接参考“ADC基本结构图”就可以照着写代码。

7.1.1 ADC电路结构

stm32中ADC采用了逐次逼近型ADC结构，下面以ADC0809芯片为例介绍这种结构：

图7-1 逐次逼近型ADC-ADC0809

ADC0809是一个独立的8位逐次逼近型ADC，单片机内部没有集成ADC时需要外挂ADC芯片，ADC0809就是这么一款经典的ADC芯片。现在很多单片机内部已经集成了ADC外设，就不需要外挂芯片，可以直接测量电压。

IN7~IN0：8路模拟输入。

ADDA、ADDB、ADDC、ALE：地址锁存，选择当前的模拟输入引脚。相当于38译码器。

CLOCK：时钟线。

START：开始AD转换。

EOC：转换结束标志位。

内部DAC：加权电阻网络，用于产生和输入模拟信号进行比较的模拟信号。

OE：输出使能，控制三态门输出。

D7~D0：输出的8位数字信号。

V_REF(+)、V~REF(-)：参考电压。

下面是stm32中的单路ADC框图：

图7-2 单个ADC框图

ADCx_IN0~ADCx_IN15、温度传感器、V_REFINT：ADC的16个输入通道。

注入通道【使用不多】：最多一次性选4路通道，配合4个16位寄存器，就可以一次性转换4路模拟数据。

规则通道【常用】：最多一次性选16路通道，但只有1个16位寄存器，存在新来的数据覆盖上一个数据的问题，此时要么尽快将数据取走，要是使用DMA帮助转运数据，进而可以实现一次性转换16路模拟数据。当然，一次就选一个通道，就是普通的ADC功能。

触发转换电路：stm32中的ADC触发方式：

软件触发：在程序中手动调一句代码。

硬件触发：上图所示的触发源。主要来自于定时器TIMx，也可以外部中断引脚EXTI。正常思路是：定时器每隔1ms产生一次中断 --> 中断函数中开启触发转换信号 --> ADC完成一次转换。缺点是需要频繁进入中断，消耗软件资源。但是得益于上图的硬件电路设计，stm32可以直接使用定时器主模式触发ADC转换，硬件全自动无需申请中断，可以极大地减轻CPU负担。

V_DDA、V_SSA：ADC的供电引脚。

V_REF+、V_REF-：ADC的参考电压，决定了ADC的输入电压的范围。stm32内部已经和V_DDA、V_SSA连接在一起了。

ADCCLK：来自ADC的预分频器，这个ADC的预分频器则来自于“RCC时钟树”。具体可以查看时钟树的电路，默认情况就是对72MHz进行ADC预分频，由于ADCCLK最大18MHz，所以只能选择6分频/8分频。

DMA请求：触发DMA进行数据转运。下一章讲。

注入通道数据寄存器、规则通道数据寄存器：用于存放转换结果。

模拟看门狗：一旦高于上阈值或低于下阈值，就会申请模拟看门狗的中断，最终进入NVIC。

转换结束EOC：规则通道转换完成，会在状态寄存器置标志位。

注入转换结束JEOC：注入通道转换完成，会在状态寄存器置标志位。

NVIC：嵌套向量中断控制器，控制是否响应上面这三个中断。

7.1.2 引脚复用关系

表7-1 ADC通道和引脚复用的关系

通道	ADC1	ADC2	ADC3
通道0	PA0	PA0	PA0
通道1	PA1	PA1	PA1
通道2	PA2	PA2	PA2
通道3	PA3	PA3	PA3
通道4	PA4	PA4	PF6
通道5	PA5	PA5	PF7
通道6	PA6	PA6	PF8
通道7	PA7	PA7	PF9
通道8	PB0	PB0	PF10
通道9	PB1	PB1
通道10	PC0	PC0	PC0
通道11	PC1	PC1	PC1
通道12	PC2	PC2	PC2
通道13	PC3	PC3	PC3
通道14	PC4	PC4
通道15	PC5	PC5
通道16	温度传感器
通道17	内部参考电压

上表给出了stm32系列芯片中所有的ADC通道，其中 加粗的通道 表示stm32f103c8t6所拥有的引脚（10个外部输入引脚+2路内部引脚），注意对于c8t6这个型号来说，ADC1和ADC2共用引脚，不仅可以单独使用，可以组成更加复杂的双ADC模式。双ADC模式通过配合可以组成同步模式、交叉模式（ADC1和ADC2交叉对同一个通道进行采样，以提高采样率）等。

7.1.3 规则组的转换模式

stm32的ADC最多同时支持16个通道，那么ADC每次扫描1个通道还是多个通道，便是选择 非扫描模式/扫描模式；而对于单个通道的ADC转换来说，触发一次ADC是只转换一次，还是自动的进行连续转换，便是选择 单次转换/连续转换。上面这两种选择进行组合，便产生了 规则组的4种转换模式：

1. 单次转换、非扫描模式：
触发一次仅转换一次；仅序列1有效，但可以任意指定需要转换的通道。此时ADC选择一组的方式退化成只能选择一个。读取数据时，需要等待EOC标志位置1，然后从数据寄存器读取结果。如要再进行转换，就需要再次触发转换。

图7-3-a) 单次转换、非扫描模式示意图

2. 连续转换、非扫描模式：
相比于上一个模式，仅需要一次触发，ADC就会在一次转换完成后立刻进入下一次转换，实现不断地自动进行转换。此时就不需要读EOC看转换是否完成，直接想读数据的时候就读。

图7-3-b) 连续转换、非扫描模式示意图

3. 单次转换、扫描模式：
相比于第一种模式，可以一次性转换多个通道，不过还是触发一次、所有通道只转换一次。

图7-3-c) 单次转换、扫描模式示意图

4. 连续转换、扫描模式：
不仅可以一次性转换多个通道，还可以实现触发一次、自动不间断转换。

图7-3-d) 连续转换、扫描模式示意图

5. 间断模式：
除了上面四种模式，ADC还有其他的配置模式，如间断模式：每个几次转换就停下来，等待触发……
更多模式细节可以查阅参考手册“11.3 ADC功能描述”。

7.1.4 触发转换信号

图7-4 ADC外部触发信号

上一小节提到，要想ADC进行转换，还需要完成触发这个操作。触发信号可以是软件触发、硬件触发。软件触发可以由ADC的库函数完成；硬件触发见上图。

7.1.5 数据对齐

图7-5 数据对齐示意图

因为ADC是12位的，而寄存器宽度为16位，所有便有了数据对齐方式的选择。

右对齐【常用】：读出的值就是实际值。

左对齐：有时候不需要太大的分辨率，便将12位ADC的转换数据左对齐，然后只取高8位。

7.1.6 转换时间

低速采样可以忽略转换频率，高速采样必须考虑转换时间 的损耗。AD转换的步骤主要为：采样，保持，量化，编码。“采样”时间越长，越可以消除一些毛刺信号的干扰；而“量化、编码”消耗的时间则比“采样、保持”更长。在STM32中，ADC的总转换时间 为：
$T_{CONV} = 采样时间 + 12.5个ADC周期$

采样时间：在配置ADC的多路选择开关时可选，是ADC采样周期的倍数，如1.5倍、7.5倍、13.5倍、……、239.5倍。
ADC周期：就是从RCC分频过来的RCCCLK(最高14MHz)，总采样时间不会小于 $1\mu s$ 。

例如：当ADCCLK=14MHz，采样时间为1.5个ADC周期， $T_{CONV} = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期 = 1μs$ 。

7.1.7 校准

ADC有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。校准期间，在每个电容器上都会计算出一个误差修正码(数字值)，这个码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差。

建议在每次上电后执行一次校准。

启动校准前， ADC必须处于关电状态超过至少两个ADC时钟周期。

校准过程的代码是固定的，只需要在ADC初始化之后加几句代码即可。

7.1.8 外围电路设计

图7-6 ADC外围电路设计图

在设计ADC的模拟输入源时，为确保电路安全，可选择以下几种方案：

电位器产生可调电压：注意阻值不要太小(最少为kΩ级)，以防烧毁电位器。

传感器输出电压：如光敏电阻、热敏电阻、红外接收管、麦克风等，都可以等效为一个可变电阻。通过与一个固定电阻（应于传感器阻值相近）进行分压，从而输出可调电压，此电路图中输出电压与传感器阻值成正比。比如本节就直接用传感器模块的AO引脚。

简易电压转换电路：经过分压后就可以采集0_5V、010V的输入电压值，但是若电压再高，建议使用专用的采集芯片，如隔离放大器等，做好高低电压的隔离进而保护电路安全。

7.1.9 总结

图7-7 ADC基本结构

上图给出了ADC的基本结构，编程时照着写就行。

7.2 实验：ADC单通道

需求：测量旋转电位器的模拟电压。

图7-8 ADC单通道-接线图

图7-9 ADC单通道-函数调用（非库函数）

代码展示：
- main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "OLED.h"
#include "ADC_User.h"

int main(void){
    
    //OLED显示屏初始化
    OLED_Init();
    OLED_ShowString(1,1,"Voltage-PA0:");
    OLED_ShowString(2,1,"+00.00 V");    
    
    //ADC初始化
    ADC_User_Init();
    ADC_User_Start();
    
    while(1){
        OLED_ShowFloat(2,1,(float)ADC_User_Get()*3.3/4095,2,2);
    };
}

- ADC_User.h

#ifndef __ADC_USER_H
#define __ADC_USER_H

void ADC_User_Init(void);
void ADC_User_Start(void);
uint16_t ADC_User_Get(void);

#endif

- ADC_User.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

//ADC初始化-规则组PA0
void ADC_User_Init(void){
    //1.开启外设时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);//6分频使得ADC时钟为12MHz
    //2.配置GPIO
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AIN;//模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    //3.配置多路开关，选择通道进入规则组
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_0,1,ADC_SampleTime_1Cycles5);
    //4.配置ADC转换器
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;//连续转换
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign          = ADC_DataAlign_Right;//数据右对齐
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv   = ADC_ExternalTrigConv_None;//不使用外部触发（软件触发）
    ADC_InitStructure.ADC_Mode               = ADC_Mode_Independent;//独立模式
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel       = 1;//只有1个通道（非扫描模式，参数不起作用）
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode       = DISABLE;//非扫描模式（因为是单通道）
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    //5.配置开关控制
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    //6.进行ADC校准
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)==SET);
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)==SET);
}

//对ADC进行一次软件触发
void ADC_User_Start(void){
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
}

//获取ADC转换结果
uint16_t ADC_User_Get(void){
    //等待转换完成并读取
    while(ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC) == RESET);
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);//硬件会自动清除EOC标志位
}

编程感想：

关于函数命名。注意stm32库函数已经有了ADC打头的库函数了，如ADC_Init()，所以命名的时候不要再使用ADC，而可以使用ADC_User。

GPIO配置成模拟输入AIN模式。AIN模式下，GPIO口无效，可以防止GPIO的输入输出对模拟电压造成干扰。AIN模式是ADC的专属模式。实际测试中，浮空输入、上拉输入、模拟输入的展示效果几乎没有区别（但是硬件原理完全不同）。

函数提示设置：找到扳手图标—->Text Completion栏—->把Show Code Completion List For下面的框全部勾上。

读取规则组数据后，无需软件清除EOC标志位。参考手册中说明，读取ADCC_DR就会自动清除EOC标志位。所以参考手册还是非常重要！！

关于数据抖动。实测发现ADC转换后的结果会抖动，若想消除这种现象，可以有以下几种方法：

迟滞比较：设置两个阈值，低于下阈值执行操作，高于上阈值执行操作。

滤波：如均值滤波（LPF）。

裁剪分辨率：去除转换结果的最后抖动的几位。

7.3 实验：ADC多通道

需求：同时获取电位器、光敏电阻模块、热敏电阻模块、反射红外模块共四组数字量。

图7-10 ADC多通道-接线图

代码调用和上一小节的实验相同；由于使用软件实现ADC多通道，所以ADC_User部分代码仅增添了两个函数，下面的代码展示仅给出修改过的部分：
- main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "OLED.h"
#include "ADC_User.h"

int main(void){
    int i = 0;
    //OLED显示屏初始化
    OLED_Init();
    OLED_ShowString(1,1,"C0:00.00 V");
    OLED_ShowString(2,1,"C1:00.00 V");
    OLED_ShowString(3,1,"C2:00.00 V");
    OLED_ShowString(4,1,"C3:00.00 V");
    
    //ADC初始化
    ADC_User_InitMuti();
    
    while(1){
        for (i=0;i<4;i++){
            ADC_User_MutiSel(i);
            ADC_User_Start();
            OLED_ShowFloat(i+1,4,(float)ADC_User_Get()*3.3/4095,2,2);
        }
    };
}