【STM32学习】深入解析STM32内置AD模块框图（一）

现在我们大致知道，ADC 的大致转换流程就是输入模拟信号，经由采样、保持、量化、编码等过程，最终转换成数字信号。下面将通过ADC模块框图了解ADC模块正常运作需要做哪些事。

准备阶段：

ADC 转换：开始转换的时间点

ADC 转换完毕：是否使能转换完成的中断（不同输入方式对应的中断不同）

一、什么是 ADC？

1、ADC 的基本概念

ADC（Analogto-Digital Converter）模拟数字转换器，是将模拟信号转换成数字信号的一种外设。我们所熟悉的温度值、电压值其实都是模拟信号，但是单片机只认识高低电平，如果我们希望单片机去处理这些模拟信号，那就需要通过 ADC 将模拟信号转换成数字信号。

2、ADC 分辨率

我们平时总说“12位AD采样”，这里代表的意思是，当前AD值的取值范围为 0 ~ 2^12-1，即0~4095。如果输入电压是0~3.3V，相当于可以把 3.3 V等分成 4096份；如果是 16 位AD采样，那就相当于可以把3.3V等分成 65536 份。

分辨率强调的是精度，分的份数越多，粒度越细，转换结果也就更精确。

二、ADC 实现框图

下面是 ADC 模块的结构图，为了方便理解，这里大体是分为了七个部分。请从左边按照逆时针的顺序了解。

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① 电压输入范围

为了提高转换的精确度，ADC使用一个独立的电源供电，过滤和屏蔽来自印刷电路板上的毛刺干扰，ADC的电源引脚为VDDA，独立的电源地VSSA。

Vref+ 和 Vref- 代表了 ADC 能够转换的电压范围，即ADC所能测量的电压范围就是Vref- ≤ Vin ≤ Vref+。(内部Vref+ 连到了VDDA，Vref-连到了 VSSA)

② 模拟信号采样（采样时间）

ADCx_IN0 ~ 17 是 ADCx 的输入通道，每个通道都可以接一个模拟信号的输入源。在向通道输入模拟信号之前，需要先对模拟信号做 “ 采样保持 ” 操作，这一步所花费的时间便是 “ 采样时间 ”，这也是我们后续程序的一个必要配置项。（采样保持的原因参考文章最后一个模块）

ADCx的某个通道要连接到哪个IO引脚，都是事先决定好的，下面是 stm32f4 系列的通道-引脚对应关系。比如 ADC1 的通道0连接到的IO引脚是 PA0。第 16 ~ 18 通道比较特殊，第 16 通道接到了芯片内部的温度传感器，第 17 通道接到了内部参考电压 Vrefint，第 18 通道备份电源引脚 Vbat。

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③ 触发AD转换的方式（软件 / 硬件）

触发AD转换的方式包含软件触发、硬件触发。软件触发则是通过向 ADC-CR2 寄存器的 AD ON 位写1来开启转换；硬件触发可以是定时器（TIM）触发、外部引脚（EXIT）触发。

图中有左右两组触发，这和 AD 的输入方式有关，左边是注入组专用，右边是规则组专用。

④ ADC分频（ADC周期）

时钟分频决定的是ADC周期，这个需要参考时钟树。ADC 的时钟来自于 APB2 总线，将 APB2 总线的时钟再次分频就可以得到 ADC 的时钟频率，分频数可以是 2 / 4 / 6 / 8。 

从时钟树可以看到，我们可以对 180MHz 进行 1 / 2 / 4 / 8 / 16 分频，分频后的时钟频率就是APB2总线的时钟频率。APB2总线上的不同外设对时钟需求不同，不可能每个外设都使用相同的时钟频率，因此在提供给 ADC 之前还需要再做一次分频。

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⑤ 输入方式

ADC 有两种输入方式，分别是注入组（injected channels）、规则组（regular channels）。相当于给 AD 转换器发送一个转换列表，告诉他要转换哪些通道。

注入组：

        一次最多可以转换4个通道，转换结果保存到注入组数据寄存器（注入组有4个数据寄存器，每个寄存器长度为16bit）

规则组：

        一次最多可以转换 16 个通道，转换结果保存到规则组数据寄存器（规则组只有1个数据寄存器，每个寄存器长度为16bit）。规则组最好搭配 DMA 使用，规则组只有一个寄存器，一旦上层没有及时取走寄存器内的转换结果，寄存器内的结果便会被下一次的结果覆盖。

​⑥ 工作方式

ADC 的工作方式主要体现在量化编码阶段，我们可能就得考虑两个问题：

假设输入方式是注入组。

非扫描 / 扫描模式

非扫描：无论输入多少，只转换第一个。比如下面输入了三个通道，但最终只会转换第 0 个位置，即通道0

扫描：输入多少，转换多少。

单次 / 连续转换

单次转换：转换一次后就停下来，下一次要重新启动才会开始转换

连续转换：转换一次后，继续开始下一次转换

⑦ 标志位、中断使能

当转换完成时，对应的标志位会自动置1，我们可以启动中断使能来通知。

三、为什么需要 “ 采样保持 ” ？

 模拟信号是在源源不断输入的，也就是在变化的，我们希望在转换模拟信号的时候，模拟信号是固定不变的。因此就需要用到采样保持（实现这一目的就是采样保持电路）

        采样阶段，开关 S 闭合，电容 CH 充电，输出电压 Vo 随模拟信号变化

         保持阶段，开关 S 断开，电容 CH 放电，输出电压 Vo 保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值。

         从开关 S 闭合到开关 S 断开的时间便是所谓的 “ 采样时间 ”。采样时间过长，会影响到整体AD转换时间；采样时间过短，容易导致电容充电时间不够，采集到的电压值低于实际电压值。

四、ADC 转换时间计算

采样完毕后，相当于做好了准备数据的工作，接下来要经过 “ 量化编码 ” 阶段来将模拟信号转换成数字信号（二进制编码）。

由此可知，转换时间 = 采样时间 + 量化编码时间。其中量化编码一般是12.5 个ADC周期。因此，

转换时间 = 采样时间 + 12.5个ADC周期

ADC时钟频率最大为14MHz，假设采样时间为 1.5 个周期，那么

转换时间 = 1.5 + 12.5 = 14 个ADC周期 = 1us

参考文章：

STM32学习笔记—ADC采集数据常见问题 – 知乎 (zhihu.com)

详解STM32中的ADC-电子发烧友网 (elecfans.com)

STM32—ADC详解入门（ADC读取烟雾传感器的值）_stm32 adc_wlkq~的博客-CSDN博客