ADC 基础知识

ADC 简介

ADC 即模拟数字转换器，英文详称 Analog-to-digital converter，可以将外部的模拟信号转换 为数字信号。

STM32F103 系列芯片拥有 3 个 ADC（C8T6 只有 2 个），这些 ADC 可以独立使用，其中 ADC1 和 ADC2 还可以组成双重模式（提高采样率）。STM32 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模 拟数字转换器。它有 18 个通道，可测量 16 个外部和 2 个内部信号源，其中 ADC3 根据 CPU 引 脚的不同其通道数也不同，一般有 8 个外部通道。ADC 中的各个通道的 A/D 转换可以单次、连 续、扫描或间断模式执行。ADC 的结果可以以左对齐或者右对齐存储在 16 位数据寄存器中。

STM32F103 的 ADC 主要特性我们可以总结为以下几条：

1、12 位分辨率；

2、转换结束、注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断

3、单次和连续转换模式

4、自校准

5、带内嵌数据一致性的数据对齐

6、采样间隔可以按通道分别编程

7、规则转换和注入转换均有外部触发选项

8、间断模式

9、双重模式（带 2 个或以上 ADC 的器件）

10、ADC 转换时间：时钟为 72MHz 为 1.17us

11、ADC 供电要求：2.4V 到 3.6V

12、ADC 输入范围：VREF–≤VIN≤VREF+

13、规则通道转换期间有 DMA 请求产生

ADC框图简介 

图中，我们按照 ADC 的配置流程标记了七处位置，分别如下：

① 输入电压

在前面 ADC 的主要特性也对输入电压有所提及，ADC 输入范围 VREF–≤VIN≤VREF+，最终 还是由 VREF–、VREF+、VDDA 和 VSSA 决定的。下面看一下这几个参数的关系，如图 30.1.2 所示：

从上图可以知道，VDDA 和 VREF+接 VCC3.3，而 VSSA 和 VREF-是接地，所以 ADC 的输入范 围即 0~3.3V。 

② 输入通道

在确定好了 ADC 输入电压后，如何把外部输入的电压输送到 ADC 转换器中呢，在这里引 入了 ADC 的输入通道，在前面也提及到了 ADC1 和 ADC2 都有 16 个外部通道和 2 个内部通 道；而 ADC3 就有 8 个外部通道。外部通道对应的是上图中的 ADCx_IN0、ADCx_IN1… ADCx_IN15。ADC1 的通道 16 就是内部通道，连接到芯片内部的温度传感器，通道 17 连接到 Vrefint。而 ADC2 的通道 16 和 17 连接到内部的 VSS。ADC3 的通道 9、14、15、16 和 17 连接 到的是内部的 VSS。具体的 ADC 通道表见表 30.1.1 所示：

③转换顺序

当 ADC 的多个通道以任意顺序进行转换就诞生了成组转换，这里有两种成组转换类型： 规则组和注入组。规则组就是图中的规则通道，注入组就是图中的注入通道。为了避免大家对 输入通道，以及规则通道和注入通道的理解混淆，后面规则通道以规则组来代称，注入通道以 注入组来代称。

规则组允许最多 16 个输入通道进行转换，而注入组允许最多 4 个输入通道进行转换。这里 讲解一下规则组和注入组。

规则组（规则通道）

规则组，按字面理解，“规则”就是按照一定的顺序，相当于正常运行的程序，平常用到最 多也是规则组。

注入组（注入通道）

注入组，按字面理解，“注入”就是打破原来的状态，相当于中断。当程序执行的时候，中断是可以打断程序的执行。同这个类似，注入组转换可以打断规则组的转换。假如在规则组转 换过程中，注入组启动，那么注入组被转换完成之后，规则组才得以继续转换。

为了便于理解，下面看一下规则组和注入组的执行优先级对比图，如图 30.1.3 所示：

了解了规则组和注入组的概念后，下面来看看它们的转换顺序，即转换序列。转换序列可 以分为规则序列和注入序列。下面分别来介绍它们。

规则序列 

规则组最多允许 16 个输入通道进行转换，那么就需要设置通道转换的顺序，即规则序列。 规则序列寄存器有 3 个，分别为 SQR1、SQR2 和 SQR3。SQR3 控制规则序列中的第 1 个到第 6 个转换；SQR2 控制规则序列中第 7 个到第 12 个转换；SQR1 控制规则序列中第 13 个到第 16 个转换。规则序列寄存器控制关系汇总如表 30.1.2 所示：

从上表可以知道，当我们想设置 ADC 的某个输入通道在规则序列的第 1 个转换，只需要 把相应的输入通道号的值写入 SQR3 寄存器中的 SQ1[4:0]位即可。例如想让输入通道 5 先进行 转换，那么就可以把 5 这个数值写入 SQ1[4:0]位。如果还想让输入通道 8 在第 2 个转换，那么就可以把 8 这个数值写入 SQ2[4:0]位。最后还要设置你的这个规则序列的输入通道个数，只需 把输入通道个数写入 SQR1 的 SQL[3:0]位。注意：写入 0 到 SQL[3:0]位，表示这个规则序列有 1 个输入通道的意思，而不是 0 个输入通道。

注入序列

注入序列，跟规则序列差不多，决定的是注入组的顺序。注入组最大允许 4 个通道输入， 它的注入序列由 JSQR 寄存器配置。注入序列寄存器 JSQR 控制关系如表 30.1.3 所示：

注入序列有多少个输入通道，只需要把输入通道个数写入到 JL [ 1 : 0 ]位，范围是 0~3。注 意：写入 0 表示这个注入序列有一个输入通道，而不是 0 个输入通道。这个内容很简单。编程 时容易犯错的是注入序列的转换顺序问题，下面给大家讲解一下。

如果 JL[ 1 : 0 ]位的值小于 3，即设置注入序列要转换的通道个数小于 4，则注入序列的转 换顺序是从 JSQx[ 4 : 0 ]（x=4-JL[1:0]）开始。例如：JL [ 1 : 0 ]=10、JSQ4 [ 4 : 0 ]= 00100、JSQ3 [ 4 : 0 ]= 00011、JSQ2 [ 4 : 0 ]= 00111、JSQ1 [ 4 : 0 ]= 00010，意味着这个注入序列的转换顺序 是：7、3、4，而不是 2、7、3。如果 JL[ 1 : 0 ]=00，那么转换顺序是从 JSQ4 [ 4 : 0 ]开始。

④ 触发源

在配置好输入通道以及转换顺序后，就可以进行触发转换了。ADC 的触发转换有两种方法： 分别是通过 ADON 位或外部事件触发转换。

（1）ADON 位触发转换

当 ADC_CR2 寄存器的 ADON 位为 1 时，再独立给 ADON 位写 1（其它位不能一起改变， 这是为了防止误触发），这时会启动转换。这种控制 ADC 启动转换的方式非常简单。

（2）外部触发转换

另一种方法是通过外部事件触发转换，例如定时器捕获、EXTI 线和软件触发，可以分为规 则组外部触发和注入组外部触发。

规则组外部触发使用方法是将 EXTTRIG 位置 1，并且通过 EXTSET[2:0]位选择规则组启动 转换的触发源。如果 EXTSET[2:0]位设置为 111，那么可以通过 SWSTART 为启动 ADC 转换， 相当于软件触发。

注入组外部触发使用方法是将 JEXTTRIG 位置 1，并且通过 JEXTSET[2:0]位选择注入组启 动转换的触发源。如果 JEXTSET[2:0]位设置为 111，那么可以通过 JSWSTART 为启动 ADC 转 换，相当于软件触发。

ADC1 和 ADC2 的触发源是一样的，ADC3 的触发源和 ADC1/2 有所不同，这个需要注意。

⑤ 转换时间

（1）ADC 时钟

在学习转换时间之前，我们先来了解 ADC 时钟。从标号⑤框出来部分可以看到 ADC 时钟是 要经过 ADC 预分频器的，那么 ADC 的时钟源是什么？ADC 预分频器的分频系数可以设置的 范围又是多少？以及 ADC 时钟频率的最大值又是多少？下面将为大家解答。

ADC 的输入时钟是由 PCLK2 经过分频产生的，分频系数是由 RCC_CFGR 寄存器的 ADCPRE[1:0]位设置的，可选择 2/4/8/16 分频。需要注意的是，ADC 的输入时钟频率最大值是 14MHz，如果超过这个值将会导致 ADC 的转换结果准确度下降。

一般我们设置 PCLK2 为 72MHz。为了不超过 ADC 的最大输入时钟频率 14MHz，我们设 置 ADC 的预分频器分频系数为 6，就可以得到 ADC 的输入时钟频率为 72MHz/6，即 12MHz。 例程中，我们也是如此设置的。

（2）转换时间

STM32F103 的 ADC 总转换时间的计算公式如下：TCONV = 采样时间 + 12.5 个周期

采样时间可通过 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2 寄存器中的 SMPx[2:0]位设置，x=0~17。 ADC_SMPR1 控制的是通道 0~9，ADC_SMPR2 控制的是通道 10~17。每个输入通道都支持通 过编程来选择不同的采样时间，采样时间可选的范围如下：

⚫ SMP = 000：1.5 个 ADC 时钟周期

⚫ SMP = 001：7.5 个 ADC 时钟周期

⚫ SMP = 010：13.5 个 ADC 时钟周期

⚫ SMP = 011：28.5 个 ADC 时钟周期

⚫ SMP = 100：41.5 个 ADC 时钟周期

⚫ SMP = 101：55.5 个 ADC 时钟周期

⚫ SMP = 110：71.5 个 ADC 时钟周期

⚫ SMP = 111：239.5 个 ADC 时钟周期

可以看出，采样时间最小是 1.5 个时钟周期，设置为这个值，那么我们可以得到最短的转 换时间。下面以我们例程的 ADC 时钟配置为例，来给大家计算一下 ADC 的最短转换时间，计 算过程如下：TCONV = 1.5 个 ADC 时钟周期 + 12.5 个 ADC 时钟周期 = 14 个 ADC 时钟周期

例程中，PCLK2 的时钟是 72MHz，经过 ADC 时钟预分频器的 6 分频后，ADC 时钟频率 为 12MHz。代入上式可得到：TCONV = 14 个 ADC 时钟周期 = ( 1 12000000) ∗ 14 s = 1.17u

⑥数据寄存器

ADC 转换完成后的数据输出寄存器。根据转换组的不同，规则组的完成转换的数据输出到 ADC_DR 寄存器，注入组的完成转换的数据输出到 ADC_JDRx 寄存器。假如是使用双重模式， 规则组的数据也是存放在 ADC_DR 寄存器。下面给大家简单介绍一下这两个寄存器。

（1）ADC 规则数据寄存器（ADC_DR）

ADC 规则组数据寄存器 ADC_DR 是一个 32 位的寄存器，独立模式时只使用到该寄存器低 16 位保存 ADC1/2/3 的规则转换数据。在双 ADC 模式下，高 16 位用于保存 ADC2 转换的数据， 低 16 位用于保存 ADC1 转换的数据。

因为 ADC 的精度是 12 位的，ADC_DR 寄存器无论高 16 位还是低 16，存放数据的位宽都 是 16 位的，所以允许选择数据对齐方式。由 ADC_CR2 寄存器的 ALIGN 位设置数据对齐方式， 可选择：右对齐或者左对齐。

细心的朋友可能发现，规则组最多有 16 个输入通道，而 ADC 规则数据寄存器只有一个， 如果一个规则组用到好几个通道，数据怎么读取？如果使用多通道转换，那么这些通道的数据 也会存放在 DR 里面，按照规则组的顺序，上一个通道转换的数据，会被下一个通道转换的数 据覆盖掉，所以当通道转换完成后要及时把数据取走。比较常用的方法是使用 DMA 模式。当 规则组的通道转换结束时，就会产生 DMA 请求，这样就可以及时把转换的数据搬运到用户指 定的目的地址存放。注意：只有 ADC1 和 ADC3 可以产生 DAM 请求，而由 ADC2 转换的数据 可以通过双 ADC 模式，利用 ADC1 的 DMA 功能传输。

（2）ADC 注入数据寄存器 x（ADC_JDRx）（x=1~4）

ADC 注入数据寄存器有 4 个，注入组最多有 4 个输入通道，刚好每个通道都有自己对应的 数据寄存器。ADC_JDRx 寄存器是 32 位的，低 16 位有效，高 16 位保留，数据也同样需要选 择对齐方式。也是由 ADC_CR2 寄存器的 ALIGN 位设置数据对齐方式，可选择：右对齐或者左 对齐。

⑦中断

ADC 中断可分为三种：规则组转换结束中断、注入组转换结束中断、设置了模拟看门狗状 态位中断。它们都有独立的中断使能位，分别由 ADC_CR 寄存器的 EOCIE、JEOCIE、AWDIE 位设置，对应的标志位分别是 EOC、JEOC、AWD。

模拟看门狗中断

模拟看门狗中断发生条件：首先通过ADC_LTR和ADC_HTR寄存器设置低阈值和高阈值， 然后开启了模拟看门狗中断后，当被 ADC 转换的模拟电压低于低阈值或者高于高阈值时，就 会产生中断。例如我们设置高阈值是 3.0V，那么模拟电压超过 3.0V 的时候，就会产生模拟看 门狗中断，低阈值的情况类似。

DMA 请求

规则组和注入组的转换结束后，除了可以产生中断外，还可以产生 DMA 请求，我们利用 DMA 及时把转换好的数据传输到指定的内存里，防止数据被覆盖。

注意：只有 ADC1 和 ADC3 可以产生 DAM 请求，DMA 相关的知识请回顾 DMA 实验。

⑧单次转换模式和连续转换模式

单次转换模式和连续转换模式在框图中是没有标号，为了更好地学习后续的内容，这里简 单给大家讲讲。

（1）单次转换模式

通过将 ADC_CR2 寄存器的 CONT 位置 0 选择单次转换模式。该模式下，ADC 只执行一 次转换，由 ADC_CR2 寄存器的 ADON 位启动（只适用于规则组），也可以通过外部触发启动 （适用于规则组或注入组）。

如果规则组的一个输入通道被转换，那么转换的数据被储存在 16 位 ADC_DR 寄存器中、 EOC（转换结束）标志位被置 1、如果设置了 EOCIE 位，则产生中断，然后 ADC 停止。

如果注入组的一个输入通道被转换，那么转换的数据被储存在16位ADC_DRJx寄存器中、 JEOC（转换结束）标志位被置 1、如果设置了 JEOCIE 位，则产生中断，然后 ADC 停止。

（2）连续转换模式

通过将 ADC_CR2 寄存器的 CONT 位置 1 选择连续转换模式。该模式下，ADC 完成上一 个通道的转换后会马上自动地启动下一个通道的转换，由 ADC_CR2 寄存器的 ADON 位启动， 也可以通过外部触发启动。

如果规则组的一个输入通道被转换，那么转换的数据被储存在 16 位 ADC_DR 寄存器中、 EOC（转换结束）标志位被置 1、如果设置了 EOCIE 位，则产生中断。

如果注入组的一个输入通道被转换，那么转换的数据被储存在16位ADC_DRJx寄存器中、 JEOC（转换结束）标志位被置 1、如果设置了 JEOCIE 位，则产生中断。

⑨扫描模式

扫描模式在框图中是没有标号，为了更好地学习后续的内容，这里简单给大家讲讲。

可以通过 ADC_CR1 寄存器的 SCAN 位配置是否使用扫描模式。如果选择扫描模式，ADC 会扫描所有被 ADC_SQRx 寄存器或 ADC_JSQR 选中的所有通道，并对规则组或者注入组的每 个通道执行单次转换，然后停止转换。但如果还设置了 CONT 位，即选择连续转换模式，那么 转换不会在选择组的最后一个通道上停止，而是再次从选择组的第一个通道继续转换。

如果设置了DMA 位，在每次 EOC 后，DMA控制器把规则组通道的转换数据传输到 SRAM 中。而注入通道转换的数据总是存储在 ADC_JDRx 寄存器中。

不同模式组合的作用