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ADC简介
ADC,英文全称是Analog to Digital Convert,意为模拟数字转换器,简称模数转换器,或者叫AD转换器,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,如果想读取电压值需借助ADC模数转换器来实现。ADC读取引脚上的模拟电压,转化成一个数据存在寄存器里,将这个数据读取到变量中就可以进行显示、判断、记录等操作。
数字到模拟的桥梁除了DAC还有PWM,PWM只有完全导通和完全断开两种状态,这两种状态下都没有功率损耗,在直流电机调速这种大概率应用场景,使用PWM来等效模拟量比DAC更好,PWM电路更简单常用。DAC的应用主要在波形的生成的领域,比如信号发生器、音频解码器等等。本型号的STM32没有DAC外设,自行了解即可。
12位逼近型ADC和1us转换时间,设计到两个关键参数,第一个是分辨率,一般用多少位来表示,12位AD值的范围就是0 ~ - 1,就是量化结果是0 ~ 4095,位数越高量化结果越精细,对应分辨率越高。转换时间也就是转换频率,AD转换需要一小段时间,1us表示从AD转换开始到产生结果需要花1us的时间,对应AD转换频率就是1MHz,这也是STM32的最快转换频率。
ADC的输入电压一般要求都是在芯片的负极和正极之间变化的,最低电压是负极0V,最高电压是正极3.3V,经过ADC转换之后最小值是0,最大值是4095,最大最小分别对应,之间的值也一一对应的线性关系,计算简单乘除系数即可。
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,较为方便。2个内部信号源是内部温度传感器和内部参考电压,温度传感器可以测量CPU的温度,内部参考电压是一个1.2V左右的基准电压,不随外部供电电压的变化而变化。如果芯片的供电不是标准的3.3V,测量外部引脚的电压可能不对,此时可读取这个基准电压进行校准,得到正确的电压值。
ADC的增强功能,普通的AD转换流程,启动一次转换读一次值,再启动再读值。STM32的ADC可以列一个组,一次性启动一个组,连续转换多个值,有两个组,一个用于常规使用的规则组,一个是用于突发事件的注入组
模拟看门狗自动检测输入电压范围。ADC一般可以用于测量光线强度,温度这些值,当温度高于或低于某个阈值会执行一些操作,这个判断就可以用模拟看门狗去自动执行,模拟看门狗可以用于检测指定收的某些通道,当AD值高于或低于阈值时就会申请中断,并可以在中断之中执行相应的操作,省去不断手动读值再用if判断的操作
stm32f103c8t6只有ADC1和ADC2两个外设,10个外部输入通道,也就是它最多只能测量10个外部引脚的模拟信号。前面的16个外部信号源是这个系列最多有16个外部信号源,但是这个芯片引脚较少,有些引脚未被引出。如果需要更多通道可以选择其他型号
逐次逼近型ADC
ADC0809的内部电路图,是一个独立的8位逐次逼近型ADC芯片。左边的IN0~IN7是输入的八路通道,通过通道选择开关选择一路,输入到比较器的上方进行转换,下边是地址锁存和译码,想选择哪个通道,就把通道号放在这三个脚上,给一个锁存信号,上面对应的通道选择开关就可以自动拨好了,这部分相当于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,给一个开始信号过几us便转换完成,如果想转换多路信号,只需一个AD转换器,加上一个多路选择开关,想转换哪一路拨动对应的开关,选中对应通道,然后开始转换即可。这里的ADC0809只有八个输入通道,STM32内部有18个输入通道,对应图中就是18路输入的多路开关
对于判断电压对应的编码数据的方法,需要用到逐次逼近的方法来一一比较,图中三角形是一个电压比较器,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,他的两个输入端,一个是待测的电压(上),另一个是DAC电压输出端,DAC是数模转换器,给他一个数据就可以输出对应的电压,DAC内部是使用加权电阻网络进行转换。
将一个外部通道输入的位置编码的电压,和一个DAC输出的已知编码的电压,同时输入到电压比较器进行判断,如果DAC输出电压比较大,那就调小DAC数据,如果DAC输出比较小,那么就增大DAC数据,直到DAC输出电压和外部通道输入电压近似相等,这样DAC输入的数据就是外部电压的编码数据。
电压调节的过程是由逐次逼近寄存器SAR完成的,为了最快找到未知电压的编码,通常会使用二分法进行查找,比如这里是8位的DAC,那编码就是0~255,第一次比较的时候,给DAC输入255的一半128进行比较,如果DAC电压大了,第二次比较的时候给128的一半64,如果还大第三次比就给32,如果这次小了那第四次就给32~64之间的值然后继续,以最快找到未知电压的编码。在这个过程中如果用二进制表示的话,会发现128 64 32 正好是二进制每一位的位权,这个判断过程相当于是对二进制从高位到低位依次判断是1还是0的过程。对于8位的ADC,从高位到低位判断8次就可以找到未知电压的编码。对于12位的ADC就需要判断12次。
AD转换结束后,DAC的输入数据就是未知电压的编码,通过右边三态锁存缓冲器进行输出,八位就有8根线,十二位就有12根线。最右上角的EOC是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,需要时钟推动这个过程。
下面VREF+和VREF-是DAC的参考电压,比如给一个数据255会对应5V还是3.3V将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,所以他也是ADC参考电压。左边VCC和GND是整个芯片电路的供电,通常参考电压的正极VREF+和VCC是一样的,会接在一起,参考电压的负极和GND也是一样的,接在一起,一般情况下,ADC的电压输入范围就和ADC的供电一样
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