STM32 ADC模数转换器学习指南

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声明：学习笔记根据b站江科大自化协stm32入门教程编辑，仅供学习交流使用！
注意：本文9920字，阅读大约需要15分钟，请耐心会收获满满！

前言

本次学习有两个实操程序，第一个程序为AD单通道，第二个为AD多通道
STM32的ADC为12位，AD最大值是4095，对应最大电压3.3V，可对0-3.3v之间的任意电压量化，所以ADC相当于一个电压表。而对于GPIO而言只能读取引脚的高低电平两个值。

一、ADC简介

1.概述

注：开关控制对应ADC_Cmd库函数，用于给ADC上电
ADC（Analog-Digital Converter）模拟-数字转换器，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。
》12位逐次逼近型ADC，1us转换时间。12位于1us涉及到ADC的两个关键参数，第一个位分辨率，一般用多少位表示，表示可量化的精细度。第二个是转换时间也即转换频率，AD转换需要一定时间，1us表示从AD转换开始到产生结果的时间，对应频率为1MHz.
》输入电压范围：0-3.3V，转换结果范围：0~4095。一一对应的线性关系
》18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源。外部时钟源信号就是16个GPIO口，在引脚直接接模拟信号就可。2个内部信号源是内部温度传感器和内部参考电压，温度传感器可测CPU的温度；内部参考电压是一个1.2v左右的基准电压，它不随外部供电电压变化而变化，如果芯片的供电电压不是标准3.3v，那么测量外部引脚的电压可能就不对，此时可读取基准电压进行校准得到正确的外部引脚电压值。
》规则组和注入组两个转换单元。属于STM32 ADC的增强功能，普通的AD转换流程为启动一次转换读一次值，然后再启动再读值的流程。增强后，可以列一个组，一次性启动一个组，连续转换多个值；并且有两个组，规则组用于常规使用，注入组用于突发事件。
》模拟看门狗自动监测输入电压范围。ADC一般可用于测量光线强度、温度这些值且经常会有个需求：如果光线或温度高于某个阈值、低于某个阈值时，执行一些操作。这个高于/低于某个阈值的判断就可用模拟看门狗自动执行，模拟看门狗可监测指定的某些通道，当AD值高于它设定的上阈值或低于下阈值就会申请中断，在中断函数执行相应操作。这样就不用手动（软件资源）读值，再用if进行判断了。
》STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道，上面所说的16个是这个系列最多的通道数，本型号只有10个。
拓展：
DAC与之相反位数模转换器，是数字到模拟的桥梁！不过学习定时器输出比较讲的PWM，也可实现数字到模拟的转换，同时PWM只有完全导通和完全断开两种状态，无功率损耗，所以在直流电机调速这种大功率应用场景，使用PWM来等效模拟量是比DAC更好的选择，且PWM电路更加简单更常用。而DAC的应用主要是在波形生成领域，比如信号发生器、音频解码芯片等，这些领域PWM不好替代！！实操用的SYM32没有DAC外设。

2.图示详解

1.外挂式逐次逼近型ADC

》外挂式逐次逼近型ADC：（与STM32里的ADC原理基本一样）
它是一款外挂的（独立出来的）ADC芯片，随着单片机集成度的提升现在很多单片机内部就已经集成了ADC外设，不用这种外挂芯片了，引脚可直接测电压非常方便！

1、首先左边IN0-IN7是8路输入通道，通过通道选择开关选中一路输入到下一步进行转换，地址锁存和译码就是想选中哪个通道（8路）就把通道号放在ADDA-ADDC三个引脚上，ALE给一个锁存信号上面对应的通路开关就可自动拨好。这部分就相当于一个可以通过模拟信号的数据选择器，当然STM32的ADC有18个输入通道！
2、逐次逼近方法：信号到一个电压比较器，可以判断两个输入信号电压的大小关系，输出一个高低电平指示谁大谁小；两个输入端一个为待测电压，另一个是DAC的电压输出端（DAC内部是使用加权电阻网络来实现转换，可参考51教程），两者比较并不断调整DAC电压的输入编码值使两者不断逼近，这样DAC的输入数据就是外部电压的编码数据了。电压调节的过程由图中的逐次逼近SAR完成，为了快速常使用二分法查找，8位的ADC从高位到地位需要依次判断8次，12位的需要12次。
3、AD转换结束后，DAC的输入数据（SAR向下的双箭头）就是位置待测电压的编码，通过朝右的双箭头输出到三态锁存缓冲器，8位8根线，12位12根线。
4、引脚：EOC为End of Convert即转换结束信号；START是开始转换，给一个输入脉冲；CLOCK是ADC时钟，因为ADC内部是一步一步进行判断的，需要时钟来推动这个过程；下面的VREF+和VREF-是DAC的参考电压，比如给DAC个数据255，是对应5V还是3.3V就由参考电压决定，DAC的参考电压也决定了ADC的输入范围，所以也是ADC的参考电压；Vcc与GND为供电，通常参考电压+和Vcc一样，会接在一起，负极和GND也是一样接在一起！

2.STM32的逐次逼近型ADC

》STM32的逐次逼近型ADC： （芯片手册第11章11.3）

下面截取上图局部，一部分一部分分析：

相比上面的外挂ADC的高级之处：可同时选中多个通道，且转换的时候分成了两组规则通道和注入通道。比喻成餐厅菜单介绍：
（1）规则组菜单可同时存16个菜，但是存在一个不足之处：规则组只有一个数据寄存器，就是桌子比较小最多只能放一个菜，如果上16个菜那么前15个菜都会被挤掉，只能得到第16个菜。所以对于规则组转换来说如果使用这个菜单，最好配合DMA来实现，DMA是一个数据转运小助手，它可以每上一个菜之后把这个菜挪到其他地方，防止被覆盖，下节笔记我们一起学习DMA。上图DMA请求就是用来触发DMA进行数据转运的。
（2）注入组就比较高级，比作餐厅的VIP座位，在这个座位上一次最多可以点4个菜，且数据寄存器有4个（可以同时上这4个菜），不必担心数据覆盖。
一般使用规则组就足够，下面也主要涉及规则组，注入组可参考芯片手册！
》触发STM32的ADC开始转换的信号有两种：

（1）软件触发。即在程序中手动调用一条代码，就可启动转换
（2）硬件触发。即上图的这些触发源，上面为注入组的触发源，下面为规则组的触发源，这些触发源主要来自定时器，有定时器的各个通道，还有TRGO定时器主模式的输出。定时器可以通向ADC、DAC这些外设用于触发转换，因为ADC经常需要过一个固定时间段转换一次，正常实现思路为用定时器每隔一定时间申请一次中断，在中断里手动进行一次转换，但就像之前一直强调的频繁进中断会阻塞主程序。一般这样的问题都会有硬件支持，比如以上图举个例子：给TIM3定个1ms的时间，并且把TIM3的更新事件选择为TRGO输出，然后在ADC选择开始触发信号为TIM3的TRGO，这样TIM3的更新事件就能通过硬件自动触发ADC转换，整个过程不需要进中断节省了中断资源。当然也可选择外部中断引脚EXTI_11来触发转换。
》STM32ADC的时钟ADCCLK来自ADC预分频器，而ADC预分频器来源于RCC。如图RCC时钟树：
因为ADCCLK最大14MHz，虽然ADC预分频器有2、4、6、8分频，但实际上只有6分频12MHz，8分频9MHz满足要求。

》模拟看门狗与EOC信号：
模拟看门狗用于监测转换结果的范围，可以存放一个阈值高限和阈值低限，如果启动了模拟看门狗，并且指定了看门的通道，那这个看门狗就会关注此通道，一旦超过这个阈值范围就会乱叫，在上面申请一个模拟看门狗的中断最后通向NVIC。
然后对于规则组和注入组而言，它们转换完成后，也会有一个EOC或JEOC转换完成的信号，这两个信号会在状态寄存器里分别置一个标志位，读取这个标志位就能知道是不是转换结束了；同时这两个标志位也可以去NVIC申请中断（如果开启了NVIC对应的通道它们就会触发中断）

二、细节之处

1.输入通道

下图为ADC通道和引脚复用的关系：（也可对照引脚定义表）

只有ADC1有通道16和17，ADC2和ADC3没有。通道0-15GPIO口的引脚，ADC1和ADC2的引脚完全相同，ADC3中间有些变化，不过本实操所用芯片无ADC3。标绿部分引脚本芯片也无。（STM32F10xxx）

2.四种转换模式（规则组）

用库函数初始化ADC的结构体里，会有两个参数，一个选择单次还是连续转换，另一个选择扫描还是非扫描模式。
1、单次转换，非扫描模式

最简单的一种模式（没用到“菜单”列表），此列表就是规则组里的“菜单”，序列1-16，可在此处“点菜”，就是写入你要转换的通道，在非扫描模式下，菜单只有序列1的位置有效，这时“菜单”同时选中一组的方式就退化为简单选中一个的方式。可在序列1处写入我们想转换的通道，比如上图中的通道2，就可触发转换，转换结果放在数据寄存器里，同时给EOC标志位置1，转换过程结束。判断EOC标志位，如果转换完了就可在数据寄存器里读取结果了，如果想再启动一次转换，就需要再触发一次，以此循环。如果想换一个通道转换，在转换前把序列1位置的通道2改成其他通道。
2、连续转换，非扫描模式

还是非扫描模式，“菜单”只用序列1位置，与上一种单次转换不同之处是它在一次转换结束后不会停止，而是立刻开始下一轮转换，一直持续下去。即只需要最开始触发一次，之后就可以一直转换了，好处是开始转换后不需要等待一段时间，不需要手动开始转换。

3、单次转换，扫描模式

也是单次转换，每触发一次转换结束后就会停下；扫描模式就会用到“菜单”列表，可在菜单“点菜”，比如上图中的几个通道，每个位置是通道几可以任意指定并且可以重复。在ADC初始化结构体里还有个参数——通道数目，如图选了7。

4、连续转换，扫描模式

同理，可知此模式。在扫描模式下还可有一种模式——间断模式，作用是在扫描过程中每隔几个转换，就暂停一次，需要再次触发才能继续，此模式没有列出要不分类就太多。

3.触发控制

之前讲过触发控制，此表为规则组的触发源，也就是下图绿圈部分，有来自定时器的信号、引脚或定时器的信号（具体是引脚和定时器，需要用AFIO重映射来确定）、最后的软件控制位就是软件触发。这些触发信号的选择，可以通过设置表右边的寄存器完成，使用库函数的话只需一个函数给个参数即可。

4.数据对齐

我们这里的ADC是12位的，它的转换结果就是一个12位的数据，但是数据寄存器是16位，所以存在数据对齐的问题。高位补0
1、数据右对齐

2、数据左对齐

一般选择右对齐，这样读取16位寄存器直接就是转换结果，如果是左对齐直接读的话得到的数据会比实际的大，左移四位等于乘16倍。
左对齐的用途是：如果不想要这么高的分辨率，觉得0~4095太大了，就做个简单的判断，不需要这么高分辨率，就可选择左对齐，然后把这个数据的高8位取出，这样就舍弃了后面4位精度，退化为8位ADC。这样也可使用右对齐把12位取出来再做处理，只不过多了一步。

5.转换时间

对于这个参数我们一般不太敏感，因为AD转换速度很快，如果不需要非常高速的转换频率，那么转换时间就可忽略。
AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码。
采样保持可放一起，量化编码可放一起，总共两大步。量化编码是ADC逐次比较的过程，这个需要时间，位数越多时间越长；为什么要采样保持？因为AD转换也就是量化编码需要时间，如果在这段时间输入电压还在不断变化，就没法定位输入电压到底在哪里。所以在量化编码之前，需要设置一个采样开关，先打开采样开关收集一下外部电压，比如可用一个小容量的电容存储一下这个电压，存储好之后断开采样开关再进行AD转换，这样在量化编码期间，电压时钟保持不变，这样才能精确定位未知电压的位置，这就是所谓的采样保持电路。这里会产生采样时间，所以可得：

采样保持花费的时间可以在程序里配置，采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰，不过转换时间相应被延长。12.5个ADC周期是量化编码所需时间，ADC位12位所以需要花费12个周期，多了0.5个周期可能是要做其他事情。ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK，ADCCLK最大14MHz，例子就是最快转换时间。其实可以超频转换（>14MHz），不过稳定性不强。

6.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。
由于校准过程是固定的，对于使用者而言只需要在初始化后加上几条代码即可！

7.硬件电路

对于ADC外围电路的设计给出以下三个电路图：

图一为电位器产生一个可调的电压，电位器两个固定端一端接3.3V，另一端接GND，这样中间滑动端就可输出一个0~3.3V可调的电压输出，这里可接ADC输入通道如图上PA0口。电阻阻值不可太小，若太小电阻会比较费电，再小就有可能发热冒烟，一般为KΩ级的。
图二为传感器输出电压的电路，一般如光敏电阻、热敏电阻、红外接收管、麦克风等都可等效为一个可变电阻N1，与一个固定电阻串联分压，得到一个反应电阻值的电压电路。固定电阻一般可选与传感器阻值相近的电阻，这样可得到位于中间电压区域比较好的输出。
图三为一个简单的电压转换电路，比如想测一个0~5V的VIN电压，但ADC只可接收0-3.3V的电压，用电阻分压，如PA2输入点的电压为VIN/50Kx33K。如果电压过高就不建议使用这种电路了，可能比较危险，高电压采集最好使用专用芯片，比如隔离放大器等，做到高低电压隔离保证电路安全。
更多内容在芯片手册第11章！

三、实操案例

1.AD单通道

在这里根据引脚定义表，PA0到PB1十个引脚是ADC的10个通道，这10个任意选一个，其他的不可接模拟电压。此代码为单通道单次转换非扫描模式。

//AD.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
//根据ADC基本结构图，打通它即可：
//1、开启RCC时钟，包括ADC和GPIO的时钟；ADCCLK的分频器也需要配置下
//2、配置GPIO，把需要用的GPIO配置为模拟输入模式
//3、配置多路开关，把左边的通道接入到右边的规则组列表里（“点菜”）
//4、配置ADC转换器，利用库函数里的结构体，可配置包括AD转换器和AD数据寄存器在内的一大块的电路
   //（包括ADC是单次还是连续、扫描还是非扫描、几个通道、触发源是什么、数据对齐是左or右对齐）
//其他的，如果需要模拟看门狗，会有几个函数用来配置阈值和监测通道。
//如果想开启中断，可在中断输出函数控制里用ITConfig函数开启对应的中断输出，然后在NVIC里配置下优先级就可触发中断。
//实例代码中暂未用到模拟看门狗和中断。
//5、开关控制，ADC_Cmd()函数开启ADC。
//6、根据手册建议，开启后还可对其进行下校准，可减小误差。
void AD_Init(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);//6分频
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN ;//选择模拟输入模式即AIN
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
	
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_0,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);//一个口非扫描模式，点一个菜。“1”表示序列1的位置，加上Channel1表示在序列1处写入通道1，第四个参数与采样时间有关根据需要。
	//ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_3,2,ADC_SampleTime_55Cycles5);//多个序列可在后面加，此处就一个输入口PA0
	
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
	ADC_InitStructure.ADC_Mode= ADC_Mode_Independent;//独立模式，ADC1和ADC2各转换各的。其他为双ADC模式较复杂
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign= ADC_DataAlign_Right;//数据对齐：右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv= ADC_ExternalTrigConv_None;//触发源：软件触发
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode= DISABLE;//转换模式：单次转换
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode= DISABLE;//转换模式：非扫描
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel= 1;//通道数目：
	ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);
	
	ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);
	
	ADC_ResetCalibration(ADC1);//校准
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

uint16_t AD_GetValue(void){
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);//软件触发,ADC开始转换
	while (ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC) == RESET);//ADC转换需要一定时间
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);//获取转换值
}

//main.c
#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"   
#include "OLED.h"
#include "AD.h"

uint16_t ADValue;
float Voltage;

int main(void){
	OLED_Init();
    AD_Init();
	OLED_ShowString(1,1,"ADValue:");
	OLED_ShowString(3,1,"Voltage:0.00V");
	while(1){
		ADValue = AD_GetValue();
		Voltage = (float)ADValue/4095*3.3;//数字与电压映射关系，ADValue为uint16类型除以4095会舍弃小数部分，先强转为float
		OLED_ShowNum(1,9,ADValue,4);
		//目前的OLED没有显示浮点数的功能，但可用显示整数的借用
		OLED_ShowNum(2,9,Voltage,1);//显示整数部分
		OLED_ShowNum(2,11,(uint16_t)(Voltage*100)%100,2);//显示小数部分，浮点数不可%取余所以先强转为整型
		Delay_ms(20);//限制OLED刷新速度
	}
}

若需要单通道连续转换非扫描模式，则：
改动1：AD_ContinuousConvMode=ENABLE;
改动2：连续转换只需要在最开始触发一次，软件触发ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);挪到初始化函数里面。while (ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC) == RESET);也不需要判断标志位了。

2.AD多通道

该实操使用4个AD转换通道，第一个通道（绿色）还是电位器接在PA0，其他三个（黄色）为三个传感器模块：光敏、热敏、反射式红外传感器PA1、PA2、PA3。注意传感器AO为模拟量输出，DO为数字输出。
》多通道首先想到了之前的扫描模式，方法不错，但要用到DMA来解决数据覆盖的问题，这里还没学DMA。
》还有一种想法是一个通道转换完成后手动转运出数据不就行了，为啥要DMA？看似简单但实际操作会遇到问题，问题一：扫描模式下，启动列表后，里面的每一个单独的通道转换完成之后不会产生任何标志位，也不会触发中断，无法知道某个通道是否转换完毕，只有在整个列表转换完成后才会产生一次EOC标志位，才可触发中断；问题二：AD转换十分快速（几us/通道），手动转运困难。不过也不代表一定不行，可使用间断模式，扫描时每转换一个通道暂停一次，不推荐效率低。
》演示代码的方法：在上面的单次转换、非扫描模式基础上，在每次触发转换之前，手动更改下列表第一个位置的通道，比如第一次转换先写入通道哦，之后触发、等待、读值；第二次转换把通道0改为通道1…。
更改1：

//删除AD_Init()里的
ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_0,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);

更改2：

//下面的AD_GetValue()函数变化为可改变通道的：
uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel){
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);//通道可改
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);//软件触发,ADC开始转换
	while (ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC) == RESET);//ADC转换需要一定时间
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);//获取转换值
}

更改3：

//main.c
#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"   
#include "OLED.h"
#include "AD.h"

uint16_t AD0,AD1,AD2,AD3;//表示四个ADC输入通道的转换结果的接收变量

int main(void){
	OLED_Init();
    AD_Init();
	OLED_ShowString(1,1,"AD0:");
	OLED_ShowString(2,1,"AD1:");
	OLED_ShowString(3,1,"AD2:");
	OLED_ShowString(4,1,"AD3:");
	while(1){
		AD0 = AD_GetValue(ADC_Channel_0);
		AD1 = AD_GetValue(ADC_Channel_1);
		AD2 = AD_GetValue(ADC_Channel_2);
		AD3 = AD_GetValue(ADC_Channel_3);
		//根据需要也可设置映射关系，再进行显示
		
		OLED_ShowNum(1,5,AD0,4);
		OLED_ShowNum(2,5,AD1,4);
		OLED_ShowNum(3,5,AD3,4);
		OLED_ShowNum(4,5,AD3,4);
		
		Delay_ms(100);
	}
}

总结

遇到挫折，要有勇往直前的信念，马上行动，坚持到底，决不放弃，成功者决不放弃，放弃者绝不会成功。成功的道路上，肯定会有失败；对于失败，我们要正确地看待和对待，不怕失败者，则必成功；怕失败者，则一无是处，会更失败。
今天的学习分享到此就结束了，我们下次再见！！
往期精彩：
STM32定时中断
STM32外部中断
STM32GPIO精讲
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