代码收藏家技术教程 2023-08-19

STM32 ADC模数转换详解

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ADC简介

STM32的ADC（Analog-Digital Converter）模拟-数字转换器，是一种逐次逼近型模拟数字转换器，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。拥有18个输入通道，可测量16个外部通道和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。 ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。

输入电压范围：0-3.3V，转换结果范围：0~4095

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

逐次逼近型ADC

这个一个经典的逐次逼近型ADC，有8个输入通道，会在通道选择开关进行选择，通过地址锁存和译码进行锁定要输出的信号。利用ADDA，ADDB，ADDC进行锁存，ALE进行译码。

接着到比较器，它将输入信号与DAC（数值模拟转换器）的输出进行比较，在开始转换之前，DAC会输出一个初始值，然后与输入信号进行比较，比较结果会被送到一个控制逻辑电路上，控制逻辑电路根据比较结果调整ADC的输出值，这个过程会重复进行，直到ADC的输出与输入信号精度足够接近。每次调整DAC的输出，都使其更加接近于输入信号的值。当DAC的输出与输入信号的差异在可接受范围内时，转换结束。

逐次逼近型寄存器就是将调整DAC输出的值，通过二分查找的方法，找到接近输入信号的值。

最后将最终值放入三态锁存寄存器，就可以进行输出了。

上面的CLOCK是ADC的时钟，通过它可以控制ADC的运行速度和转换精度。由于转换需要一定时间，可通过它控制转换速度。还可以实现与外部时钟同步。

START是运行控制位，EOC是转换结束标志位。

ADC框图

我们先从输入口看，大体上与传统的逐次逼近型ADC无差异，这里有16个外部通道和两个内部资源通道。接着会通过数据选择器，可以到注入通道或者规则通道。

注入通道最多可以有4个输入通道涌入，而规则通道可以有16个输入通道涌入。
这里的模拟数字转换器原理就是逐次逼近型ADC的原理。

对于规则通道寄存器，只能存储一个结果，所以如果有多个通道进行转换的话，那么先存储的结果会被后来的结果覆盖过去，这有可能造成结果丢失；这里的DMA请求就会解决这种后果，通过对寄存器地址的移动，让数据存储在不同的地址，这样就不会数据丢失，具体下一章讲解。
那注入通道就是一次可以存储4个结果，注入通道还有一些具体的内容，这里不展开叙述。
ADCCLK就是时钟，可控制采样时间和转换时间；

最后汇集到地址数据总线上，进行输出。

左下角是触发转换的部分，对应逐次逼近型的START信号；对于STM32，有两种触发方式，一种是软件触发，通过在程序中进行编写代码，进行启动；另一种是硬件触发，就是图中的触发源；有定时器各个通道和定时器主模式的输出，还有外部中断引脚触发转换。

模拟看门狗会根据比较的结果，在一定范围内进行判断，一旦超出所在范围，那么将会产生看门狗事件；

转换结束后，规则通道的信号和注入通道的信号都会产生标志位，标志位可以触发中断使能，使其中断；

转换模式

在ADC中，有两种转换模式，可以搭配扫描模式一同使用；
单次转换模式下， ADC只执行一次转换。连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。扫描模式用来扫描一组模拟通道。

单转换，非扫描模式：

每一次转换都需要进行一次触发，转换结束后会置出一个结束标志位；当进行下一次转换时，又需要进行重新触发和置出结束标志位。

连续转换，非扫描模式：

连续转换，只需要在一开始进行转换触发，那么接下来的每一次转换都不需要进行转换触发；
且转换一次后，会迅速进入下一次转换，每一次EOC会被标志，这里可以理解为转换完成后EOC自动标志了。

单次转换，扫描模式：

扫描模式会对所选通道都进行扫描，由于是单次转换，后来的通道内容会将前面的通道内容进行覆盖，所以如图中所示，到最后只有通道6的内容进行输出；

连续转换，扫描模式：

同样的道理，到最后只有通道6的内容会进行输出；
所以扫描模式都会与DMA进行搭配，让数据不产生丢失的情况；

数据对齐

对于规则通道来说，输出结果只有12位有效，而数据存储器有16位，所以这里就会产生两种方式进行存储；
右对齐：数据高位补0，这是我们常用的方式；
左对齐：数据低位补0，这样操作会使数据扩大16倍；

转换时间

AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码

STM32 ADC的总转换时间为：
TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期

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

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。在
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。

ADC基本结构

通过输入端口到AD转换器，AD转换器需要触发控制和时钟进行初始化。转换结束后会产生标志位；接着将数据结果储存到AD数据寄存器中。该结构需要开关进行控制启动。

ADC单通道工程

接线方式：

通过对电位器的旋转，在OLED显示屏上显示数字转换后的结果。

代码：

OLED代码所取处

AD.h

#ifndef __AD_H__
#define __AD_H__

void AD_Init();
uint16_t AD_GetValue();

#endif

AD.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header


void AD_Init()
{
	//开启外设时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    //配置ADC时钟
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);  // 72M/6=12MHz
	//引脚初始化
    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);
    //为所选ADC规则通道配置其序列器对应等级和采样时间
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_0,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);
    //ADC结构体成员
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE; //指定通道模式为连续转换或者单转换
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //数据对齐方式
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None; //启动规则通道模拟电压到数字转换的外部触发器
    ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent; //配置ADC为独立模式或者双模式
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE; //选择是否为扫描模式
    ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);
    //ADC运行控制
    ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);
    //重置所选ADC校准寄存器
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    //获取ADC复位状态，复位后为0
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    //开始校准
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    //获取ADC所选标准位状态，校准需要时间，校准好后置0
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}

uint16_t AD_GetValue()
{
    //启动ADC软件转换，触发方式
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);
    //检查ADC是否已有标志位，还没有就为SET，有为RESET（EOC)
    while(ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC)==RESET);
    //返回一个转换结果
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

main.c

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

float V;
int main()
{
	OLED_Init();
	AD_Init();
    OLED_ShowString(1,1,"Value:");
    //显示电压
    OLED_ShowString(2,1,"Volatge:0.00");
    while(1)
    {
        V=(float)(AD_GetValue()/4095*3.3);
        OLED_ShowNum(1,7,AD_GetValue(),4);
        OLED_ShowNum(2,9,V,1);
        OLED_ShowNum(2,11,(uint16_t)(V*100)%100,2);
    }
}

数字范围：0-4095
电压范围：0-3.3V
对于显示屏上的波动效果，是正常效果。由于转换总时间在1/12*（55.5+12.5）=5.6微妙；
转换速度是非常快的，而我们又在一个循环中不断显示结果，每次输出结果是由逐次逼近型ADC进行比较输出的，所以不可能每次比较值都非常精准，多多少少会有些误差的波动。