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STM32中ADC模数转换器

article 2024/12/23 18:04:39

一、ADC简介

ADC模拟-数字转换器

ADC可以将引脚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，1us转换时间

输入电压范围： 0~3.3V，转换结果范围：0~4095

18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源

规则组和注入组两个转换单元

模拟看门狗自动检测输入电压范围

STM32F2103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2、10个外部输入通道

二、逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC内部结构

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，这个ADC0809就是一款比较经典的ADC芯片，但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，这样就不用外挂芯片了，引脚可以直接测电压，使用还是非常方便的

结构的分析

首先在最左边这里IN0~IN7,是8路输入通道，通过通道选择开关，选中一路，输入到比较器前面的箭头的位置进行转换

其次下面的这里是地址锁存器和译码：就是你想选择哪个通道，就把通道号放在这三个脚上，然后给一个锁存信号，上面这里对应的通道开关就可以自动拨好了

上面这两个部分就可以看作是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，你给一个开始信号，过个us就转换完成了，所以说如果想转换多路信号，那不必设计多个AD转换器，只需要一个AD转换器，然后加一个多路选择开关，想转换哪一路，就先拨一下开关，选中对应通道，然后在开始转换就行了

这就是输入通道选择的部分，这个ADC0809只有8个输入通道，我们STM32内部的ADC是有18个输入通道的，所以对应这里，就是一个18路输入的多路开关，然后输入信号我们选择好了，我们来看下一部分

怎么才能知道这个电压对应的编码数据是多少呢

这个就需要我们用逐次逼近的方法来一一比较了，首先一个电压比较器，它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，一个待测的电压，另一个这里DAC的电压输出端，DAC是数模转换器（给他一个数据，他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，想要深入探究看江科大51单片机教程里的DA/AD一节）

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ADC输出的电压比较大，我就调小DAC数据，如果DAC输出的电压比较小，我就增大DAC数据，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，这就是DAC的实现原理。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法进行寻找

例如：这里是8位的ADC，那编码就是从0~255，那第一次比较的时候，我们就给DAC输入255的一半，进行比较，就是128，然后看看谁大谁小，如果DAC电压大了，如果第二次比较的时候，在就给128的一半，64，如果还是大，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

那然后AD转化结束后，DAC的输入数据就是未知电压的编码，输出8位就有8根线，12位就有12根线

最上面EOC是转换结束信号

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

下面的B\VREF+和VREF-是DAC的参考电压，比如你给一个数据255，就是对应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参考电压，最后左边是整个芯片电路的供电，VCC和GND,通常这个参考电压的正极和VCC是一样的会接在一起，参考电压的负极和GND也是一样的，也连接在一起，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

STM32F103C8T6内部的ADC结构

这里左边是ADC的输入通道，包括16个GPIO口，IN0~IN15,和两个内部的通道，一个内部温度传感器，一个是VREFINT内部参考电压，然后18个输入通道，然后是一个模拟多路开关，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，这里模数转换器就是执行的我们刚才讲过的逐次比较的过程，转换的结果会直接放在这个数据寄存器里，我们读取寄存器就能知道ADC转换的结果了

在模拟多路开关中，对于普通的ADC，多路开关一般都是只选一个的，就是选中某一个通道，开始转换，等待转换完成，取出结果，这是普通的流程

但是这里比较高级，他可以同时选中多个，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，其中规则组可以一次性最多选中16个通道，注入组最多选中4个通道

在这里这个东西有什么作用呢

举个简单的例子

这就像你去餐厅点菜，普通的ADC是你指定一个菜，老板给你做，然后做好了送给你。但在这里是你指定一个菜单，这个菜单最多可以填16个菜，然后你直接递个菜单给老板，老板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道菜，这样这个菜单就简化成了普通的模式了

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，但是有一点，这个规则通道数据寄存器是有一个，也就是说这个桌子比较小，最多只能放一个菜，如果上16个菜，那不好意思，前15个菜都会被挤掉，你只能得到16个菜，所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是一个数据转运小帮手，它可以在每上一个菜之后把这儿菜挪到其他地方去，放置被覆盖

注入组：这个注入组就比较高级了，它相当于餐厅的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，一般情况下我们使用规则组就完全足够了

首先，左下角这里就是触发转换的部分，也就是最上面的START信号，开始转换，对于STM32的ADC，触发ADC开始转换的信号有两种，一种是软件触发，就是你在程序中手动调用一条代码，就可以启动转换了，另一种就是硬件触发，就是右下角部分这些触发源，上面是注入组的触发源，下面这些是规则组的触发源，这些触发源只要来自定时器，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。那因为ADC经常需要过一个固定时间段转换一次（比如每隔1ms转换一次，正常思路就是，用定时器，每隔1ms申请一次中断，在中断里手动开始一次转换，这样也是可以的）但是频繁进入中断对我们的程序是有一定影响的，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，那么我们ADC的转换频率就肯定会产生影响了，所以对于这种需要频繁进中断，并且在中断里只完成了简单工作的情况，一般都会有硬件的支持

在左上角这里是VREF+、VREF-、VDDA和VSSA,上面是ADC的参考电压，决定了ADC输入电压的范围，下面是ADC的供电引脚，一般情况下，VREF+要接VDDA，VREF-要接VSSA

右边的这里的ADCCLK是ADC的时钟，用于驱动内部逐次比较的时钟，这个是来自ADC预分频器，这个ADC预分频器是来源于RCC的

DMA请求是用于触发DMA进行数据转运的

模拟看门狗：它里面可以存一个阈值高限和阈值底限，如果启动了模拟看门狗，并指定了看门的通道，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了，它就会乱叫，就会在上面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呢，它们转换完成之后，也会有一个EOC转换完成的信号

EOC：规则组的完成信号

JEOC：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，我们读取标志位，就能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

ADC基本结构

输入通道

这些就是ADC通道和引脚复用的关系

这个对应关系也可以通过引脚定义表看出来

转换模式

单次转换，非扫描模式

这个是最简单的

这里左边画了一个列表，这个表就是规则组里的菜单，有16个空位，分别是序列1都序列16，你可以在这里“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，这里序列1的位置指定我们想转换的通道，比如通道2，然后就可以触发转换，ADC就会对这个通道2进行模数转换，过一点时间，转换完成。转换结果放在数据寄存器里，同时EOC标志位置1。我们判断这个EOC标志位，如果转换完了，那我们就可以在数据寄存器里读取结果了，如果我们想在启动一次转换，那就需要在触发一次，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，然后在启动转换，这样就行了

连续转换，非扫描模式

它与上一种单次转换不同的是，它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之后不需要等待一段时间的，因为它一直都在转换，所以你就不需要手动开始转换了，也不用判断是否结束的，想要读AD值的时候，直接从数据寄存器取就是了，这就是连续转换，非扫描的模式

单次转换，扫描模式

这个模式也是单次转换，所以每触发一次转换结束后，就会停下来，下次转换就得在触发才能开始，然后它是扫描模式，这就会用到这个菜单列表了，你可以在这个菜单里点菜（比如第一菜是通道2，第二菜是通道5，等等），这里每隔位置是通道几可以任意指定，并且也是可以重复的然后初始化结构体里还会有个参数，就是通道数目，以为这16个位置你可以不用完，只用前几个，那你就需要在给一个通道数目的参数，告诉他，我有几个通道（比如这里指定通道数目为7，那它就只看前7个位置，然后每次触发之后会，他就依次对这前7个位置进行AD转换，转换结果都放在数据寄存器里，这里为了防止数据被覆盖，就需要用到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，然后在触发下一次，就又开始新一轮的转换）这个就是单次转换，扫描模式的工作流程