ADC-数模转换

学习资料：

• 江科大STM32入门教程

ADC介绍

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 系列最少都拥有 2 个 ADC外设，最多拥有3个ADC外设。

ADC的功能特性:

• 输入电压: ADC 输入范围 VREF–≤VIN≤VREF+，最终还是由 VREF–、VREF+、VDDA 和 VSSA 决定的,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

• 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）

  • 在引脚手册中可发现，ADC1和ADC2引脚是重合的，它们可单独使用亦可以组成双重模式
  • 双重模式，在双重模式下中还要很多模式，例如同步规则模式（两个ADC不可同时对一个通道进行采样），快速/慢速交叉模式（可对一个通道进行采样，即ADC2立即启动并且ADC1在延迟7个ADC时钟周期后启动。PS:参考看STM32F103中文参考手册 P166 图34 ）等，PS:还需加深理解 _未待完续

• ADC 是12位逐次逼近型的模拟数字转换器,

  • ADC的分辨率(采样精度)：12位，即电压范围是0v-3.3v的，转换器就会把0v-3.3v平均分成$$2^{21} = 4096$$份

  • 设转换器所得到的值为数字量为x，所求电压值为y 公式是 $$ y = \cfrac {x}{4096}\times3.3$$

  • 采集的电压为０时，里面的刻度会显示是０，当采集的电压是3.3V时，里面的刻度会显示是$$ 2^{21}-1=4095 $$

  • STM32 的 ADC 最大的转换速率为 1Mhz，也就是转换时间为 1us（在 ADCCLK=14M,采样周期为 1.5 个ADC时钟下得到）

• 它有 18 个通道，可测量 16 个外部(GPIO)和 2 个内部信号源(温度传感器和内部参考电压)

• 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 的方式以二进制形式 存储在 32 位数据寄存器中（只有在双重模式下才用到了高16位）

  • 左对齐: 二进制数据放在--> 高位
  • 右对齐: 正常形式放在右边 -->低位

• ADC的输入时钟不得超过14MHz，它是由PCLK2经分频产生

• 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

• 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

ADC如何实现数模转换

以ADC0809芯片来讲解STM32内部的ADC外设是如何实现的(因为STM32并没有画出ADC内部结构)，ADC0809是一种典型的独立的8位A/D转换器芯片，广泛应用于计算机、仪器仪表等领域。

DAC：数模转换器，内部使用加权电阻网路来实现的转换 PS:更具体的知识点需要再学习，_未待完续

电压比较器：它可以判断两个输入信号的电压的大小关系，然后输出一个电平来表示谁大谁小，它的两个通道一个是待测电压，另一个就是DAC的输出电压

逐次逼近寄存器SAR：通过比较器，我们就使SAR来调节DAC的数值使其逐渐和待测电压近似相等

ADC0809是8位的ADC芯片:采样精度 $$2^8 - 1 = 255$$，逐步逼近法采用2分法，在二进制上的表现就像0~255进行判断，总共找至少找8次就会找到值

1. 1000 0000 = 128 大了
2. 0100 0000 = 64 大了
3. 0010 0000 = 32 小了
4. 0011 0000 = 48 小了
5. 0011 1000 = 56 小了
6. 0011 1100 = 60 小了
7. 0011 1110 = 62 大了
8. 0011 1101 = 61 OK

当然如果说第一次就是128 就找到它的值了，那这不是一次就找到了吗？ 听JKD老师将，是从高到底依次判断8位二进制的每一位的位权，所以是 8个ADC的周期 也就是 虽然第一次就 OK了 但是还是需要 将接下来的每一位都进行判断 (我不是特别理解嗷) 所以下文中 12位的ADC 的 12 + 0.5个周期是采集12位AD时间是固定的(那0.5可能是杂事毕竟一个是理想状态一个是现实情况)

STM32--ADC外设

ADC的结构框图

规则通道组：一次性最多选择16个通道，如果一次选择多个通道，最好使用DMA(数据转运小帮手)来配合使用，因为从上图的框图来看，规则通道只有一个数据寄存器，当有新的数据写入时，会覆盖上一次的数据，所以我们应该快速的将上一个通道的数据保存起来

注入通道组：一次性最多选择4个通道，并且可同时保存4个通道的数据，因为注入组有4个数据寄存器

开始转换ADC的信号：有两种，因为DAC经常需要固定时间来转换一次

• 第一种是：软件触发，即通过用户写入代码来触发开始ADC转换
• 第二种是：硬件触发，主要是来自于定时器,也可以选择外部中断触发，PS：最好使用定时器的主模式触发，即通过更新事件的TRGO来触发，因为这样就不会频繁的进入中断来影响主程序的进行

主模式触发DAC的功能：内部硬件在不受程序的控制下实现自动运行，通过更新事件映射到 触发控制器的TRGO 中，然后TRGO直接接到DAC的触发转换引脚上，整个过程不需要软件的的参与(利用中断机制，当某一条件达成，进入中断控制DAC)，实现了硬件的自动化 -- 可参考我的STM32之定时器 - Sakura_Ji - 博客园那一章节的笔记

ADC的输入通道

ADC的规则转换模式

• EOC 转换结束位 (End of conversion) : 该位由硬件在(规则或注入)通道组转换结束时设置，由软件清除或由读取ADC_DR时清除 0：转换未完成； 1：转换完成。
• 使用上DMA 切记 进入中断后 不要再使用之前的判断条件来获取数据了 因为 ADC的DR寄存器的读操作会清除EOC（转换结束）标志位,所以ADC的中断服务函数中判断不到EOC标志位（清除了EOC标志位，但ADC的中断服务函数还是可以正常进入的。只是判断不到EOC标志了) 举例:
  • 使用 连续转换非扫描的情况下，之前不使用DMA时 进入中断后 是判断ADC_GetITStatus(ADC1, ADC_IT_EOC)==SET 然后才获取/更新 数据 但是在你使用 DMA后 它会自动读取数据 无需再使用中断中的这个判断条件再获取了

单次转换非扫描模式

解释:

• 单次转换：每次转换都需要重新触发控制信号
• 非扫描：只有第一个序列1的位置有效，也就是只有在序列1位置的通道才是有效的通道

过程展示:

• 触发转换，ADC会对在序列1中的通道进行模数转换

• 转换完成后，转换结果将放在数据寄存器里，同时给EOC标志位 置1，转换结束

• 通过判断EOC标志位是否是1，若标志位为1，可去数据寄存器里读出结果(因为这里就一个通道所以 可认为转换完成即 有数据，但请不要将EOC等同于转换一个通道就会置1，而是将序列表中的通道都转换完成才会置1 它叫 转换完成标志位 不懂请看下面的 单次转换连续模式中的 过程解释)

• 若想再启动一次转换，需要再触发一次

• 若想换其它通道进行转换，需在转换之前，把第一个位置的通道改成其他通道

连续转换非扫描模式

解释:

• 连续转换：在一次转换结束后不会停止，而是立刻开始下一轮的转换，然后一直持续下去，只需要最开始触发一次，就可以一直转换
• 非扫描：只有第一个序列1的位置有效，也就是只有在序列1位置的通道才是有效的通道

过程展示:

• 触发转换，只需要触发一次，ADC会对在序列1中的通道进行模数转换
• 读取的时候不用判断是否结束，直接从数据寄存器读即可

单次转换扫描模式

解释：

• 单次转换：每次转换都需要重新触发控制信号

• 扫描模式：现在不仅仅是序列1有效，而是在初始化结构体时由ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel规定了顺序进行规则转换的 ADC 通道的数目(=序列号)，这个数目的取值范围是 1 到 16，那么在触发时就会转换多少个通道，序列中的通道顺序无规定要求，可随意设置

过程展示:

• 触发转换，ADC会对序列1到序列7(以上图作为示例)中的通道进行模数转换
• 转换完成(这7个通道都进行转换完成)后，转换结果也只有最后一个通道的 即上图中的 通道6 在数据寄存器里，同时给EOC标志位 置1，转换结束
  • EOC是在这7个通道都转换完成后置才置1(侧面证明了EOC是转换完成标志位，而不是数据寄存器更新标志位)，所以我们需要使用DMA及时将数据移走，防止数据被覆盖，而且在上方的框图中我发现DMA请求信号 从 模数转换器触发的 但是呢 DMA读取数据肯定是从数据寄存器ADC_DR读取的 至于如何判断数据更新了 等DMA更新！ PS:这个地方还需深究等学完DMA看看能不能补充 _未待完续
• 通过判断EOC标志位是否是1，若标志位为1，就可判断所有通道都转换结束了
• 若想再启动一次转换，需要再触发一次，不读数据记得 软件清0 EOC

连续转换扫描模式

解释：

• 连续转换：在一次转换结束后不会停止，而是立刻开始下一轮的转换，然后一直持续下去，只需要最开始触发一次，就可以一直转换

• 扫描模式：现在不仅仅是序列1有效，而是在初始化结构体时由ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel规定了顺序进行规则转换的 ADC 通道的数目(=序列号)，这个数目的取值范围是 1 到 16，那么在触发时就会转换多少个通道，序列中的通道顺序无规定要求，可随意设置

过程解释:

• 触发转换，只需要触发一次，ADC会对序列1到序列7(以上图作为示例)中的通道进行模数转换
• 使用DMA进行读取数据

ADC的触发控制

以上就是ADC1，2的规则通道开始转换信号

ADC的数据处理

• 右对齐读数据寄存器，就是转换结果

• 左对齐读取数据寄存器，比实际大16倍 PS: 因为2进制中左移1位 就是 数据乘以2倍

  • 左对齐应用：不想要这么高的分辨率，你觉得0-4095数太大了，左对齐后取高八位即可，就从12位的ADC退化为8位的ADC精度了

ADC的转换时间

• 不需要非常高的转换频率，可以将此时间忽略

• AD转换的步骤：1.采样，2.保持，3.量化，4.编码

• STM32 ADC的总转换时间为：

  TCONV = 采样时间(采样+保持时间) + 12.5个ADC周期(12位的ADC需要12个周期 +0.5做其它事情的周期 )

• 采样+保持时间越长，毛刺现象干扰越低，但是会使转换时间增加

• 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
  

ADC的自校准

• 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

ADC的相关应用电路

• 电位器产生一个可调的电压的电路

中间的滑动端可以输出一个0~3.3伏可调的电压

• 分压方法输出传感器阻值的电路

• 传感器输出电压的电路，例如光敏电阻、热敏电阻、红外接头管、麦克风等都可以等效为一个可变电阻
• 那电阻阻值得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
• 当传感器阻止变小时，下拉作用变强，输出端电压就下降
• 传当感器组织变大时，下拉作用变弱，输出端受上拉电阻的作用，电压就会升高
• 固定电阻建议选择和传感器阻值相近的电阻，才可以得到一个位于中间电压区域，比较好的输出
• 此处传感器和固定电阻的位置也调换，输出电压的极性就反过来了

• 简单的电压转换电路

• 由于ADC只能接收0~3.3V的电压，但是想测一个0-5V的VIN电压，就可以搭建第三种电路
• 使用电阻分压，上面阻值17K，下面阻值33K，加一起50K，
• 中间的电压就是VIN/50K*33K,得到的电压范围就是0-3.3伏,就可以进入ADC转换了
• 想要其他范围（如5V、10V）的VIN电压可类似操作，电压再高一点就不建议了，不安全

ADC库函数

Table 5. ADC 固件库函数

函数 ADC_Init

Table 7. 函数 ADC_Init

结构体ADC_InitTypeDef structure

//ADC_InitTypeDef 定义于文件“stm32f10x_adc.h”： 

typedef struct 

{ 
u32 ADC_Mode; 
FunctionalState ADC_ScanConvMode;
FunctionalState ADC_ContinuousConvMode;
u32 ADC_ExternalTrigConv; 
u32 ADC_DataAlign;
u8 ADC_NbrOfChannel; 
} ADC_InitTypeDef 

参数 ADC_Mode

ADC_Mode 设置 ADC 工作在独立或者双 ADC 模式。参阅 Table 8.获得这个参数的所有成员。

Table 8. 函数 ADC_Mode 定义

参数 ADC_ScanConvMode

ADC_ScanConvMode 规定了模数转换工作在扫描模式（多通道）还是单次（单通道）模式。可以设置这个参数为 ENABLE 或者 DISABLE。

参数 ADC_ContinuousConvMode

ADC_ContinuousConvMode 规定了模数转换工作在连续还是单次模式。可以设置这个参数为 ENABLE 或者 DISABLE。

参数 ADC_ExternalTrigConv

ADC_ExternalTrigConv 定义了使用外部触发来启动规则通道的模数转换，这个参数可以取的值见 Table 9.

Table 9. ADC_ExternalTrigConv 定义表

参数 ADC_DataAlign

ADC_DataAlign 规定了 ADC 数据向左边对齐还是向右边对齐。这个参数可以取的值见 Table 10.

Table 10. ADC_DataAlign 定义表

参数 ADC_NbrOfChannel

ADC_NbreOfChannel 规定了顺序进行规则转换的 ADC 通道的数目。这个数目的取值范围是 1 到 16。

例：

/* Initialize the ADC1 according to the ADC_InitStructure members */ 

ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; 

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; 

ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; 

ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; 

ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_Ext_IT11;

ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; 

ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 16;

ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); 

注意：为了能够正确地配置每一个 ADC 通道，用户在调用 ADC_Init()之后，必须调用 ADC_ChannelConfig() 来配置每个所使用通道的转换次序和采样时间。

函数 ADC_Cmd

Table 13. 函数 ADC_Cmd

例：

/* Enable ADC1 */ 

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); 

注意：函数 ADC_Cmd 只能在其他 ADC 设置函数之后被调用。

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