ADC模数转换器

1. ADC简介

ADC（Analog to Digital Converter）即模拟数字转换器，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，12位逐次逼近型ADC，1μs转换时间，输入电压范围：0-3.3V，转换结果范围：0-4095

有18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源。

有规则组和注入组两个转换单元，模拟看门狗自动监测输入电压范围。

信息

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

2. 逐次逼近型ADC

该图是ADC0809的图，左边是8路输入开关，通过通道选择开关，选中一路，输入到比较器前面进行转换；地址锁存和译码器，想选中哪个通道，就把通道号放在这三个脚上，然后给一个锁存信号，对应的通路开关就可以自动拨好了。相当于一个可以通过模拟信号的数据选择器。

ADC转换是一个很快的过程，只有微秒左右，不需要多个AD转换器完成工作，只需要设计一个AD转换器和一个多路选择开关即可：想转换哪一路，就先拨一下开关，选中对应通道，然后再开始转换。

STM32有18个输入通道，对应这里就是一个18路输入的多路开关。电压对应的编码数据需要用逐次逼近法获取。

比较器是一个电压比较器，输出一个高低电平指示谁大谁小。两个输入端一个是待测电压（未知编码的电压），另一个是DAC的电压（已知编码的电压）输出端。DAC是数模转换器，内部使用加权电阻网络来实现转换。两个电压同时输入到电压比较器，进行大小判断，如果DAC输出的电压比较大，就调小DAC数据；反之就增大。直到DAC输出电压近似等于外部通道输入的电压。这样DAC输入的数据就是外部编码的数据了。

这个电压调节的过程就是逐次逼近SAR来完成的。为了最快，通常使用二分法进行逼近。

提示

比如8位DAC，编码就是0-255，那么第一次逼近就选取128，然后比较。然后如果大了，就取64，否则取192.以此类推。

这个过程每次取的数字，用二进制表示，正好是二进制每一位的位权。相当于是判断二进制高位-低位是1还是0。

进而简化为判断8次0还是1.

EOC是转换结束信号，START是开始转换，CLOCK是时钟。

DAC的参考电压决定了ADC的输入范围，所以也是ADC参考电压。

通常参考电压的正极和VCC是一样的，会接在一起；参考电压的负极和GND是一样的，也会接在一起。

3. STM32的逐次逼近型ADC

左边是ADC的18个输入通道，包括16个GPIO口，还有一个内部的温度传感器，一个VREFINT内部参考电压。

后头是一个模拟多路开关。输出进入模数转换器。

模数转换器执行逐次比较，结果直接放在数据寄存器，读取结果就能知道ADC转换的结果。

对于普通ADC，多路选择开关只选择一个。但是在该ADC中，可以选择多个，转换时分为两个组：规则通道组和注入通道组，规则组可以一次性最多选16个，规则组选4个。

注意

规则通道数据寄存器只有1个16位的，这是比较尴尬的地方；这意味着，当你需要16个数据的时候，前15个数据都会被丢弃，只能得到第16位。

这个问题的解决方案是配合DMA实现。DMA可以转运我们的数据，保证暂时不被覆盖。

注入组比较高级。一般情况下，使用规则组就可以。

对于STM32的ADC，触发ADC开始转换的信号有两种：

1. 软件触发，程序中手动调用一条代码，即可触发。
2. 硬件触发，来自定时器各个通道和TRGO主模式的注入组、规则组的触发源。

ADC经常需要过一个固定时间段转换一次。用定时器每隔1ms申请一次中断，然后在中断里手动转换一次。

危险

但是频繁进中断也会带来些许弊端，如果有很多中断需要频繁进入，那就会影响主程序的执行。不同中断之间，由于优先级不同，那么有些程序肯定不能及时被响应。

所以，对于需要频繁进中断并且只完成简单工作的情况，一般有硬件支持。

比如，可以给TIM3定一个1ms的时间，并且把TIM3的更新事件选择为TRGO输出，在ADC这里，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转换了。整个过程不需要进中断，节省了资源。此时定时器触发就发挥了较大的作用。

还可以选择外部中断引脚来触发转换。

左上角的电压中，上面两个是参考电压，决定了ADC输入电压的范围，下面两个是ADC的供电引脚，一般情况下，VREF+接VDDA，VREF-接VSSA。在该芯片中，没有VREF的引脚，在内部已经相接。

在这里，VDDA接3.3V，VSSA接0V。

ADCCLK是ADC的时钟，也就是CLOCK，是用于驱动内部逐次比较的时钟，来自于ADC预分频器，来源于APB2时钟通过ADC预分频进行预分频，ADCCLK最大是14MHz，只能选择6/8分频，不然会超出。

DMA请求可以用于触发DMA进行数据转运。

上面有模拟看门狗。一旦触发，就会申请模拟看门狗的中断，最后通向NVIC。

对于规则组和注入组而言，转换完成后也会有一个EOC转换完成的信号，EOC是规则组的完成信号，JEOC是注入组完成的信号。

这两个信号会在状态寄存器里置一个标志位，读取该标志位即知道转换是否结束。

4. ADC基本结构

左边是输入通道，中间是AD转换器，有两个组：规则和注入，转换的结果可以放入AD数据寄存器中。规则组只有1个数据寄存器，注入组有4个，下面有触发控制，提供了开始转换这个START信号。

触发控制可以选择软件触发和硬件触发。

右边是来自于RCC的ADC时钟CLOCK。ADC逐次比较的过程就是由这个时钟推动的。

上面可以布置一个模拟看门狗用于监测转换结果的范围。如果超出设定的阈值，就通过中断输出控制，向NVIC申请中断。

规则、注入组转换完成后会有一个EOC信号。其会置一个标志位，可以通向NVIC。

开关控制就是ADC_Cmd函数，用于给ADC上电。

5. 输入通道

16个通道对应的GPIO口：

ADC1和ADC2的引脚都是相同的，可以分别工作，也可以启用双ADC模式，使其一起工作，组成交叉模式等。

6. 转换模式

• 单次转换，非扫描模式：

• 连续转换，非扫描模式：

• 单次转换，扫描模式：

EOC之前，用DMA及时将数据挪走。

• 连续转换，扫描模式：

一次转换完成后，立刻开始下一次转换。

在扫描模式下，还有一种间断模式，其作用是在扫描的过程中每隔几个转换就暂停一次，需要再次触发才能继续。

7. 触发控制

AFIO来决定是外部引脚还是来自片上定时器的内部信号。

8. 数据对齐

ADC是12位的，转换结果是12位的。数据寄存器接受的是16位的。但是数据对齐之后，可以变成16位的。

右对齐方法是左边补零，左对齐方法是右边补零。一般使用右对齐。

左对齐把数据左移4位，会把结果乘16，但也发挥一个作用：如果不需要高分辨率，把高8位数据取出来，舍弃后面4位，等价为8位ADC。

9. 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：

$T_{conv} =$ 采样时间 + 12.5 个ADC周期

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，即1μs。

如果将ADCCLK设置超过14MHz，就是在超频工作，转换时间可以短于1μs。但舍弃了部分稳定性。

10. 校准

11. 硬件电路

第一个是电位器产生可调电压的电路，一端接3.3V，一端接GND，中间滑动端可以提供0-3.3V的可变电压。接ADC的输入通道，比如PA0口。阻值太小，电阻通过电流会很大，可能炸掉；至少要接KΩ级的电阻。

第二个是传感器输出电压的电路，一般来说，像光敏电阻、热敏电阻等等，都可等效为一个可变电阻，可以通过和一个固定电阻串联分压，来得到一个反应电阻值电压的电路。固定电阻可以选用和传感器相近的阻值，可以得到一个位于中间电压区域比较好的输出。

第三个是一个简单的电压转换电路，把0-5V的转换为0-3.3V，进入ADC转换。