STM32 ADC数模转换器

2023-10-28 14:12
文章标签 stm32 adc 数模转换

本文主要是介绍STM32 ADC数模转换器，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

STM32 ADC数模转换器

ADC简介

  • 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

    • STM32主要是数字电路，数字电路只有高低电平，没有几V电压的概念，所以如果想读取电压值，就需要借助ADC模数转换器来实现了，ADC读取引脚上的模拟电压，转换为一个数据，存在寄存器里，我们再把这个数据读到变量里来，就可以进行显示、判断、记录等等操作了，ADC可以将模拟信号转换为数字信号，是模拟电路到数字电路的桥梁。
    • DAC，数字模拟转换器，使用DAC就可以将数字量转化为模拟电压；PWM也可以作为数字电路到模拟电路的桥梁，同时PWM只有完全导通和完全断开两种状态，在这两种状态上都没有功率损耗，所以在直流电机这种大功率的应用场景，使用PWM来等效模拟量是比DAC更好的选择，并且PWM电路更加简单，更加常用。目前DAC的应用主要是在波形发生这些领域，比如信号发生器、音频解码芯片等。

  • 12位逐次逼近型ADC，1us转换时间

    • ADC的两个关键参数
      • 分辨率，一般用多少位来表示，12位AD值，它的表示范围就是0~212-1,就是量化结果的范围是0~4095,位数越高，量化结果就越精细，对应分辨率就越高。
      • 转换时间（转换频率），AD转换需要花费一小段时间，这里1us就表示从AD转换开始，需要花1us的时间，对应AD转换的频率就是1MHz，这个就是STM32ADC的最快转换频率，如果你需要转换一个频率非常高的信号，那就要考虑一下这个转换频率是不是够用，如果你的信号频率比较低，那最大1MHz的转换频率也完全够用了。

  • 输入电压范围：0~3.3V，转换结果范围：0~4095

    • ADC的输入电压，一般要求都是要在芯片供电的负极和正极之间变化的，最低电压就是负极0V，最高电压是正极3.3V，经过ADC转换滞后，最小值就是0，最大值是4095，0V对应0，3.3V对应4095，中间都是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

    • 外部信号源就是16个GPIO口，在引脚上直接接模拟信号即可，不需要任何额外的电路，引脚就能直接测电压。
    • 两个内部信号源是内部温度传感器和内部参考电压
      • 温度传感器可以测量CPU的温度，比如电脑可以显示一个CPU的温度，就可以用ADC读取这个温度传感器来测量。
      • 内部参考电压是一个1.2V左右的基准电压，这个基准电压是不随外部供电电压变化而变化的，所以如果芯片供电不是标准的3.3V，那测量外部引脚的电压可能就不对，这时就可以读取这个基准电压进行校准，就能得到正确的电压值了。

  • 规则组和注入组两个转换单元

    • 普通的AD转换流程是，启动一次转换，读一次值，然后再启动，再读值，这样的流程。
    • 但是STM32的ADC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
      • 一个是用于常规使用的规则组
      • 一个是用于突发事件的注入组，

  • 模拟看门狗自动监测输入电压范围

    • 一般可以用于测量光线强度、温度这些值，并且经常会有个需求，就是如果光线高于某个阈值、低于某个阈值，或者温度高于某个阈值、低于某个阈值时，执行一些操作，这个高于某个阈值、低于某个阈值的判断，就可以用模拟看门狗来自动执行，模拟看门狗可以检测指定的某些通道，当AD值高于它设定的上阈值或者低于下阈值时，它就会申请中断，你就可以在中断函数里执行相应的操作，这样就不用不断地手动读值，在进行if判断操作了。

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

    • 最多只能测量10个外部引脚的模拟信号。之前说的16个信号源，这是这个系列最多有16个外部信号。但是STM32F103C8T6芯片引脚比较少，有很多引脚没有引出来，所以就只有10个外部信号源。如果需要更多的外部通道，可以选择引脚更多的型号。

逐次逼近型ADC

  • STM32的ADC与ADC0809的工作原理相同，均为逐次逼近型ADC，所以为了更好地理解STM32ADC的工作原理，我们不妨先来看一下逐次逼近型ADC的工作原理。
  • ADC0809是一个独立的8位逐次逼近型ADC芯片，在以前的时候，单片机的性能还不是很强，所以需要外挂一个ADC芯片才能进行AD转换，现在单片机的性能和集成度都有很大的提升，很多单片机内部就已经集成了ADC外设，这样就可以不用外挂芯片了，引脚可以直接测电压，使用很方便。

  • 首先左边是IN0~IN7，一共是8路输入通道，并通过通道选择开关，选择一路，输入到电压比较器进行转换。

  • 下面是地址锁存和译码，就是你想选中哪个通道，就把通道号放在这三个脚上（三个bit位对应0~7），然后给一个锁存信号，上面这里对应的通路开关就可以自动拨好了，这部分就相当于一个可以通过模拟信号的数据选择器。

  • 因为ADC转换是一个很快的过程，你给个开始信号，过几个us就转换完成了，所以说如果你想转换多路信号，那不必涉及多个AD转换器，只需要一个AD转换器，然后加一个多路选择开关，像转换哪一路，就先拨一下开关，选中对应通道，然后再开始转换就行了。

    • STM32内部的ADC有18个输入通道，对应这里，就是一个18路输入的多路开关。

  • 输入信号选择完成后，如何知道这个电压对应的编码数据是多少呢，这就需要用逐次逼近的方法来一一比较了。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，它的两个输入端，一个是待测的电压，另一个是DAC电压输出端，DAC是数模转换器，给它一个数据就可以输出数据对应的电压，DAC内部是使用加权电阻网络来实现的转换。

  • 现在我们有了一个外部通道输入的未知编码的电压和一个DAC输出的已知编码的电压，它们同时输入到电压比较器，进行大小判断。如果DAC>外部通道的输入电压，我们就调小DAC输出的电压，如果DAC<外部通道的输入电压，我们就调大DAC的输出电压，直到DAC输出的电压和外部通道输入的电压近似相等，这样DAC输入的数据就是外部电压的编码数据了。

  • 这个电压调节的过程就是这个逐次逼近SAR来完成的，为了最快找到未知电压的编码，通常我们会使用二分搜索算法。

    • 比如这里是8位的ADC，那编码就是从0~255，第一次比较的时候，我们就给DAC输入255的一般，进行比较，那就是128，然后看看谁大谁小，如果DAC电压大了，那第二次比较的时候，再就给128的一半，64，如果还大，第三次比较的时候就给32，如果这次DAC电压小了，那第四次就给32到64的中间的值，然后继续，这样依次进行下去，就能最快地找到未知电压的编码。
    • 这个过程，如果你用二进制来表示的话，你会发现128、64、32这些数据，正好是二进制每一位的位权，这个判断过程就相当于是对二进制从高到低位依次判断是1还是0的过程。那对于8位的ADC，从高位到低位依次判断8次就能找到未知电压的编码了，对于12位的ADC，就需要判断12次，这就是逐次逼近的过程，AD转换结束后，DAC的输入数据，就是未知电压的编码，输出到8位三态锁存缓冲器，8位就有8根线，12位就有12根线。

  • EOC，End Of Convert，转换结束信号

  • START是开始转换，给一个输入脉冲，开始转换

  • CLOCK是ADC时钟，因为ADC内部是一步一步进行判断的，所以需要时钟来推动这个过程。

  • VREF+和VREF-是DAC的参考电压，比如你给一个数据255，是对应5V还是3.3V，就由这个参考电压决定，这个DAC的参考电压也决定了ADC的输入范围，所以它也是ADC的参考电压。

  • VCC和GND是整个芯片电路的供电，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，也接在一起，所以一般情况下，ADC输入电压的范围就和ADC的供电是一样的。

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ADC框图

  • ADC的输入通道（ADCx_IN0~15、温度传感器、VREFINT）包括16个GPIO口，IN0~IN15,和两个内部的通道，一个是内部温度传感器，一个是VREFINT(V Reference Internal) 内部参考电压。总共是18个输入通道，然后到达模拟多路开关，可以指定我们想要选择的通道，右边是多路开关的输出，进入到模数转换器，这里的模数转换器执行的就是逐次比较的过程，转换结果会直接放到数据寄存器里，读取寄存器就可以知道ADC转换的结果了。
  • 对于普通的ADC，多路开关一般都是只选中一个，就是选中某个通道、开始转换、等待转换完成、取出结果。但是STM32的ADC可以同时选中多个通道，而且在转换的时候，还分成了两个组，规则通道组和注入通道组。
    • 规则组可以一次性最多选中16个通道
    • 注入组可以一次性最多选中4个通道

举个例子

  • 就像去餐厅点菜，普通的ADC是指定一个菜，老板给你做，然后做好了送给你
  • STM32的ADC就是指定一个菜单，这个菜单最多可以填16个菜，然后直接递个菜单给老板，老板就按照菜单的顺序依次做好，一次性给你端上来，这样的话就可以大大提高效率，当然你的菜单也可以只写一个菜,这样这个菜单就简化成了普通模式了。那对于这个菜单呢，也有两种
  • 一种是规则组菜单，可以同时上16个菜，但是规则组只有一个数据寄存器，就是这个桌子比较小，最多只能放一个菜，如果上16个菜，那前15个菜都会被挤掉，你只能得到第16个菜，多以对于规则组转换来说，如果使用这个菜单的话，最好配合DMA来实现，DMA可以实现数据转运，它可以在每上一个菜之后，把这个菜挪到其它地方去，防止被覆盖。
    • 规则组虽然可以同时转换16个通道，但是数据寄存器只能存一个结果，如果不想之前的结果被覆盖，那在转换完成之后，就要尽快把结果拿走。
  • 注入组，相当于是餐厅的VIP座位，在这个座位上，一次性最多可以点4个菜，并且这里数据寄存器有4个，是可以同时上4个菜的，对于注入组而言，就不用担心数据覆盖的问题了。
  • 触发转换（START 开始转换），对于STM32的ADC，触发ADC开始转换的信号有两种。
    • 软件触发，就是在程序中手动调用一条代码，就可以启动转换了
    • 硬件触发，就是这里的这些触发源
    • 这些触发源主要来自于定时器，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转换一次，比如每隔1ms转换一次，正常的思路就是用定时器，每隔1ms申请一次中断，在中断里手动开启一次转换，但是频繁进中断对程序会造成一定的影响，比如你有很多中断都需要频繁进入，那肯定会影响主程序的执行，并且不同中断之间，由于优先级的不同，也会导致某些中断不能及时得到响应，如果触发ADC的中断不能及时响应，那ADC的转换频率肯定会产生影响，所以对于这种需要频繁进中断，并且在中断里只完成简单工作的情况，一般都会有硬件的支持，比如这里就可以给TIM3定个1ms的时间，并且把TIM3的更新时间选择为TRGO输出，然后在ADC这里，选择开始触发信号为TIM3_TRGO,这样TIM3的更新时间就能通过硬件自动触发ADC转换了，这个过程不需要进中断，节省了中断资源，当然这里还可以选择外部中断引脚来触发转换。
      • 注入组触发源
      • 规则组触发源
        • TIM1_CH1
        • TIM1_CH2
        • TIM1_CH3
        • TIM2_CH2
        • TIM3_TRGO
        • TIM4_CH4
  • VREF+、VREF-、VDDA和VSSA
    • VREF+、VREF-是ADC的参考电压，决定了ADC输入电压的范围，
    • VDDA和VSSA是ADC的供电引脚
    • 一般情况下VREF+要接VDDA，VREF-要接VSSA，在STM32F103C8T6上没有VREF-和VREF+的引脚，其在内部就已经和VDDA和VSSA接在一起了，VDDA和VSSA是内部模拟部分的电源，比如ADC、RC振荡器、锁相环等，在这里VDDA接3.3V，VSSA接GND，所以ADC的输入电压范围就是0~3.3V。
  • ADCCLK是ADC的时钟（CLOCK），适用于驱动内部逐次比较的时钟，来自ADC预分频器，这个ADC预分频器来源于RCC时钟树，APB2 72MHz然后通过ADC预分频器进行分频，得到ADCCLK，但ADCCLK最大是14MHz，所以这个预分频器就有点尴尬，可以选择2，4，6，8分频，但选择2分频和4分频都超出了14MHz,所以对于ADC预分频器，只能选择6分频，结果是12MHz和8分频，结果是9MHz，这两个值。
  • DMA请求，用于触发DMA进行数据转运。
  • 两个数据寄存器，注入通道数据寄存器，规则通道数据寄存器，用于存放转换结果。
  • 模拟看门狗，可以存一个阈值高限和阈值低限，如果启动了模拟看门狗，并制定了看门的通道，那这个看门狗就会关注它看门的通道，一旦超过这个阈值范围，就会申请一个模拟看门狗的中断，最后通向NVIC。、
  • 对于规则组和注入组而言，它们转换完成之后，也会有一个EOC转换完成的信号，在这里，EOC是规则组的完成信号，JEOC是注入组的完成信号，这两个信号会在状态寄存器置一个标志位，读取这个标志位，就可以知道是不是转换结束了，同时这两个标志位也可以去到NVIC，申请中断，如果开启了NVIC对应的通道，它们就会触发中断。

在这里插入图片描述

ADC基本结构

  • 输入通道，包括16个GPIO口，外加两个内部的通道。
  • 进入AD转换器，AD转换器里有两个组，转换的结果可以存放在AD数据寄存器中
    • 规则组，最多可以选择16个通道，只有1个数据寄存器
    • 注入组，最多可以选择4个通道，有4个数据寄存器
  • 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，硬件触发主要是来自于定时器，当然也可以选择外部中断的引脚
  • 来自RCC的ADC时钟CLOCK，ADC逐次比较的过程就是由这个时钟推动的。
  • 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。
  • 规则组和注入组转换完成后会有个EOC信号，它会置一个标志位，当然也可以通向NVIC。
  • 开关控制，ADC_Cmd(),使能ADC。

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输入通道

  • STM32F103C8T6的ADC12_IN0对应的是PA0引脚，IN1对应PA1引脚，然后IN2~9，依次对应的是PA2到PB1，总共只有10个通道，ADC12_IN0的意思是，ADC1和ADC2的IN0都在PA0上，ADC1和ADC2的引脚全都是相同的。
  • 双ADC模式，ADC1和ADC2一起工作，可以配合组成同步模式、交叉模式等模式，比如交叉模式，ADC1和ADC2交叉地对一个通道进行采样，据可以进一步提高采样率。
  • 通道16对应ADC1的温度传感器，通道17对应ADC1的内部参考电压，只有ADC1由通道16和17，ADC2和ADC3是没有的
通道ADC1ADC2ADC3
通道0PA0PA0PA0
通道1PA1PA1PA1
通道2PA2PA2PA2
通道3PA3PA3PA3
通道4PA4PA4PF6
通道5PA5PA5PF7
通道6PA6PA6PF8
通道7PA7PA7PF9
通道8PB0PB0PF10
通道9PB1PB1
通道10PC0PC0PC0
通道11PC1PC1PC1
通道12PC2PC2PC2
通道13PC3PC3PC3
通道14PC4PC4
通道15PC5PC5
通道16温度传感器
通道17内部参考电压

转换模式

在ADC初始化的结构体中，有两个参数，一个是选择单次转换还是连续转换，另一个是选择扫描模式还是非扫描模式的。

这两个参数组合起来就有这4种转换方式。

  • 单次转换，非扫描模式
    • 列表就表示规则组里的菜单，有16个空位，分别是序列1到序列16，可以在这里“点菜”，就是写入你要转换的通道，在非扫描的模式下，这个菜单就只有第一个序列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地选中一个的方式了。
    • 在这里我们可以在序列1的位置指定我们想转换的通道，比如通道2，写到序列1的位置，然后我们就可以触发转换，ADC就会对这个通道2进行模式转换，过一小段时间后，转换完成，转换结果放在数据寄存器里，同时给EOC标志位置1，整个转换过程就结束了。
    • 判断这个EOC标志位，如果转换完了，就可以在数据寄存器里读取结果了，如果我们想再启动一次转换，那就需要再触发一次，转换结束，置EOC标志位，读结果。
    • 如果想换一个通道转换，那在转换之前，把第一个位置的通道2改成其他通道，然后再启动转换，这样就行了。

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  • 连续转换，非扫描模式
    • 还是非扫描模式，所以菜单列表中就只用第一个。
    • 与单次转换不同的是，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，这样就只需要最开始触发一次，之后就可以一直转换了。
    • 这个模式的好处就是，开始转换后不需要等待一段时间，因为它一直都在转换，所以就不需要手动开始转换了，也不用判断是否结束，想要读AD值的时候，直接从数据寄存器取就是了。

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  • 单次转换，扫描模式
    • 单次转换，所以每触发一次，转换结束后就会停下来，下次转换就得再触发才能开始。
    • 扫描模式，这就要用到这个菜单列表了，你可以在菜单里点菜，比如第一个序列1是通道2，序列2是通道5等等，这里每个位置是通道几可以任意指定，并且也是可以重复的。
    • 初始化结构体里还有个参数，通道数目，因为这16个位置你可以不用完，只用前几个，那你就需要再给一个通道数目的参数，告知有几个通道，比如下面指定通道数目为7，那它就只看前7个位置，然后每次触发之后，它就会一次对前7个位置进行AD转换，转换结果都放在数据寄存器里，为了防止数据被覆盖，就需要用DMA及时将数据挪走，那7个通道转换完成之后，产生EOC信号，转换结束，然后再触发下一次，就又开始新一轮的转换。

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  • 连续转换，扫描模式
    • 一次转换完成后，立刻开始下一次的转换。

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  • 在扫描模式的情况下，还可以有一种模式，叫间断模式，它的作用是，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。

触发控制

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数据对齐

  • 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位的，所以就存在一个数据对齐的问题。

    • 一般使用数据右对齐，这样读取这个16位的数据寄存器，直接就是转换结果。
    • 如果选择左对齐，直接读的话，得到的数据会比实际的大，因为数据左对齐实际上就是把数据左移了4位，二进制有个特点，就是数据左移一次，就等效于把这个数据乘2，这里左移了4次，就相当于把结果乘16了，所以直接读的话，会比实际值大16倍。

  • 数据右对齐：12位的数据向右靠，高位多出来的几位就补0

    • 一般选右对齐，如果需要裁剪一些分辨率，可以先把12位都取出来，再作处理。

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  • 数据左对齐：12位的数据想左靠，低位多出来的几位就补0
    • 左对齐的用途就是，如果不想要这么高的分辨率，0~4095数太大了，就只需要做个简单的判断，不需要这么大的分辨率，那你就可以选择左对齐，然后再把这个数据的高8位取出来，这样就舍弃了后面4位的精度，这个12位的ADC就退化成了8位的ADC。

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转换时间

转换时间这个参数，一般不太敏感，因为一般AD转换都很快，如果不需要非常高速的转换频率，那转换时间就可以忽略了，AD转换是需要一小段时间的。

  • AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码

    • AD转换，需要一小段时间，如果在这一小段时间里，输入的电压还在不断变化，就无法定位输入电压到底在哪了，所以在量化编码之前，我们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，比如可以用一个小容量的电容存储一下这个电压，存储好了之后，断开采样开关，在进行后面的AD转换，这样在量化编码的期间，电压始终保持不变，这样才能精确地定位未知电压的位置，这就是采样保持电路。那采样保持的过程，需要闭合采样开关，过一段时间再断开，这里就会产生一个采样时间。

    • 量化编码，就是ADC逐次比较的过程，这个过程需要花费一段时间，一般位数越多，花的时间越长。

  • STM32 ADC的总转换时间为：

    • TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期
    • 采样时间是采样保持花费的时间，可以在程序中进行配置，采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰，不过转换时间也会相应延长。
    • 12.5个ADC周期是量化编码花费的时间，因为是12位的ADC，所以要花费12个周期，这里多了0.5个周期，可能是做一些其他东西花的时间。ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK，这个ADCCLK最大是14MHz。

  • 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。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

  • 这个校准过程是固定的，我们只需要在ADC初始化的最后，加几条代码即可。

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。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

  • 这个校准过程是固定的，我们只需要在ADC初始化的最后，加几条代码即可。

这篇关于STM32 ADC数模转换器的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/293763。

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