ADC模数转换器

🕗 发布于 2024-10-04 02:17 单片机 stm32 嵌入式硬件

参考视频：[7-1] ADC模数转换器_哔哩哔哩_bilibili

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

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

模拟看门狗自动监测输入电压范围

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

逐次逼近型ADC

ADC0809是8位逐次逼近型ADC。

IN0~IN7是八路输入通道，通过通道选择开关，选中一路，输入到这个点进行转换。

地址锁存器和译码，就是你想选中哪个通道，就把通道号放在ADDA、ADDB、ADDC三个脚上，然后给一个锁存信号，上面对应的通路开关就可以自动拨好了。

上面那两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，给个开始信号，过几个us就转换完成了，所以如果想转换多路信号，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，然后再开始转换就行了。

接下来是电压比较器，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，两个输入段，一个是待测的电压，另一个是这里DAC的电压输出端。（DAC是数模转换器，给他一个数据，他就能输出数据对应的电压）

如果DAC输出的电压比较大，就调小DAC数据；如果DAC输出的电压比较小，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视相等，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逐次逼近SAR来完成的。为了最快找到未知电压的编码，通常使用二分法进行寻找。

AD转换结束后，DAC的输入数据，就是未知电压的编码，通过向右进行输出，因为是八位的，所以有八根线。

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，所以需要时钟来推动这个过程。VREF+和VREF-是DAC的参考电压，比如给一个数据255，是对应5v还是3.3v，就由参考电压决定，DAC的参考电压也决定了ADC的输入范围，所以也是ADC参考电压。

STM32逐次逼近型ADC

左边是ADC的16个输入通道，包括16个GPIO口（IN0~IN15），和两个内部通道（一个内部温度传感器，另一个是VREFINT内部参考电压）。

接下来是模拟多路开关，可以指定想要选择的通道，右边是多路开关的输出，进入到模数转换器（执行逐次比较的过程），转换结果会直接放在数据寄存器里，读取寄存器就能知道ADC转换的结果了。

对于普通的ADC，多路开关一般都是只选中其中的一个，但是这里就比较高级了，可以同时选中多个，而且在转换的时候，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，注入组最多可以选中4个通道。规则组只有一个数据寄存器，所以对于规则组来说，最好配合DMA来实现。注入组有4个数据寄存器，所以注入组不用担心数据覆盖的问题。

左下角是触发转换的部分，也就是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；另一种是硬件触发，就是这些触发源，分为注入组的触发源和规则组的触发源，这些触发源主要来自定时器（定时器可以通向ADC、DAC这些外设，用于触发转换），有定时器的各个通道，还有TRGO定时器主模式的输出。

因为ADC经常需要过一个固定时间段转换一次，比如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，在中断里手动开始一次转换，但是频繁进入中断对程序是有一定影响的。

对于频繁进入中断，并且在中断里只完成简单工作的情况，一般都有硬件支持，比如给TIM3定个1ms的时间，并且把TIM3的更新事件选择为TRGO输出，然后在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。

VREF+和VREF-是DAC的参考电压，决定了ADC输入电压的范围。ADCCLK是ADC的时钟，来源于ADC预分频器。

对于规则组和注入组，它们转换完成之后，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，读取这个标志位，就可以知道有没有转换结束，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

左边是输入通道，16个GPIO口，外加两个内部的通道。

然后进入AD转换器，一个是规则组，一个是注入组，规则组最多选中16个通道，注入组最多可以选择4个通道。

然后转换的结果可以存放在AD数据寄存器里，其中规则组只有一个数据寄存器，注入组有4个数据寄存器。

然后AD转换器下面有触发控制START，触发控制可以选择软件触发和硬件触发，硬件触发主要来自于定时器，当然也可以选择外部中断的引脚，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。

然后AD数据寄存器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。

在右下角有一个开关控制，在库函数中，就是ADC_Cmd函数，用于给ADC上电的。

输入通道

ADC通道和引脚定义对应的表

规则组的四种转换模式

单次转换，非扫描模式

在非扫描模式下，这个菜单只有第一个序列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，在这里可以在序列1的位置指定想转换的通道，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，过一小段时间，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，判断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。

如果想再启动一次转换，就需要再触发一次，转换结束，置EOC标志位，读结果。

如果想换一个位置转换，把第一个位置的通道2改成其他通道，然后再启动转换，这样就可以了。

连续转换，非扫描模式

首先，还是非扫描模式，所以菜单列表只用第一个，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，然后就可以一直转换了。

单次转换，扫描模式

这个模式也是单次转换，所以每次转换结束后，就会停下来，下次转换就得再触发才能开始。然后是扫描模式，就需要用到这个菜单列表了，你可以在这个菜单里点菜，每个位置的通道可以任意指定，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，比如通道数目为7，那它就只看前七个位置，每次触发之后，就依次对前7个位置进行AD转换，转换结果都放在数据寄存器里，这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。

连续转换，扫描模式

这个模式就是在上个模式的基础上变了一点，就是一次转换完成之后，立刻开始下一次的转换。

规则组触发源

这个类型有来自片上定时器的内部信号，外部引脚/来自片上定时器的内部信号，软件控制位。这些控制位的选择可以通过右边的寄存器来选择，使用库函数，直接给一个参数就可以了。

数据对齐

这个ADC是12位的，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。

第一种是数据右对齐，就是12位的数据向右靠，高位多出来的几位就补0。

第二种是数据左对齐，就是12位的数据向左靠，低位多出来的几位补0。

一般选择的是数据右对齐，这样就直接是结果。

转换时间

AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码

量化编码就是ADC逐次比较的过程。

AD转换，就是量化编码，是需要一小段时间的，如果在这段时间里，输入的电压还在不断变化，所以在量化编码之前，要设置一个采样开关，先打开采样开关，收集一下外部的电压，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，再进行后面的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。

STM32 ADC的总转换时间为：

因为是12位的ADC，所以需要12个周期，还有半个周期是其他东西花费的时间。

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

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

这部分不需要理解，校准过程是固定的，只需要在ADC初始化的最后，加几条代码就可以了。

硬件电路

第一个是电位器产生一个可调的电压，一端接3.3V，一端接GND，这样中间的滑动端就可以输出一个0~3.3V可调的电压输出了，这里可以接ADC的输入通道，比如PA0口。当滑动端往上滑时，电压增大，往下滑时，电压减小。

中间是传感器输出电压的电路，一般来说，像光敏电阻、红外接收管、麦克风等等，都可以等效为一个可变电阻。

最右边是一个电压转换电路，比如想测一个0~5V的VIN电压，但是ADC只能接收0~3.3V的电压，那就可以搭建一个这样的简易转换电路。

ADC相关的库函数

// 在rcc库函数里
// 配置ADCCLK分频器的，可以对APB2的72MHz时钟选择2、4、6、8分频，输入到ADCCLK
void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2);

// 在adc库函数里
void ADC_DeInit(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
void ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
// 给ADC上电的，就是上面ppt里的开关控制
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
// 开启DMA输出信号的，如果使用DMA转运数据，就要用这个函数
void ADC_DMACmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
// 中断输出控制，用于控制某个中断，能不能通往NVIC
void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT, FunctionalState NewState);

// 复位校准
void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
// 获取复位校准状态
FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
// 开始校准
void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
// 获取开始校准状态
FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

// ADC软件开始转换控制，这个就是用于软件触发的函数，给SWSTART位置1，以开始转换的
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
// ADC获取软件开始转换状态，返回SWSTART的状态，（一般不用，没啥用）
FlagStatus ADC_GetSoftwareStartConvStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

// 获取标志位的状态，然后参数给EOC的标志位，判断EOC标志位是不是置1了。
// 如果转换结束，EOC标志位置1，然后调用这个函数，判断标志位，这样才是正确的判断转换是否结束的方法。
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);

// 配置间断模式的函数
// 每隔几个通道间断一次
void ADC_DiscModeChannelCountConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Number);
// 是不是启用间断模式
void ADC_DiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// ADC规则组通道配置，它的作用是给序列的每个位置填写指定的通道，就是填写点菜菜单的过程。
// 第一个参数是ADCx，第二个参数是你想指定的通道，第三个参数是序列几的位置，第四个就是指定通道的采样时间
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
// ADC外部触发转换控制，就是是否允许外部触发转换，
void ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
// ADC获取转换值，获取AD转换的数据寄存器
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);
// ADC获取双模式转换值，这个是双ADC模式读取转换结果的函数
uint32_t ADC_GetDualModeConversionValue(void);

// 对模拟看门狗进行配置的
// 是否启动模拟看门狗
void ADC_AnalogWatchdogCmd(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_AnalogWatchdog);
// 配置高低阈值
void ADC_AnalogWatchdogThresholdsConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t HighThreshold, uint16_t LowThreshold);
// 配置看门的通道
void ADC_AnalogWatchdogSingleChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel);

// ADC温度传感器，内部参考电压控制，用来开启内部的两个通道的
void ADC_TempSensorVrefintCmd(FunctionalState NewState);

// 获取标志位状态
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
// 清除标志位
void ADC_ClearFlag(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
// 获取中断状态
ITStatus ADC_GetITStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);
// 清除中断挂起位
void ADC_ClearITPendingBit(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);

AD单通道代码

接线图

步骤

开启RCC时钟，包括ADC和GPIO的时钟，配置ADCCLK的分频器。
配置GPIO，把需要用的GPIO配置成模拟输入的模式。
配置多路开关，把左边的通道接入到右边的规则组列表里，就是上面说的点菜，把各个通道的菜列在菜单里。
配置ADC转换器，在库函数里，是用结构体来配置的，包括ADC是单次转换还是连续转换，扫描还是非扫描，有几个通道，触发源是什么，数据是左对齐还是右对齐。
开关控制，调用一下ADC_Cmd函数，开启ADC，这样ADC就配置完成了，就能正常工作了。
开启ADC之后，还可以对ADC进行校准，可以减小误差。

代码

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"

uint16_t ADValue;
float Voltage;

int main(void)
{
OLED_Init();
AD_Init();

OLED_ShowString(1, 1, "ADValue:");
OLED_ShowString(2, 1, "Voltage:0.00V");

while(1)
{
ADValue = AD_GetValue();
Voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3;

OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4);
OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1);
OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100 , 2);

Delay_ms(100);
}
}

AD.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void AD_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;  // 非连续转换模式
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;  // 对齐方式
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; // 触发方式
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;  // 通道数目
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;  // 扫描转换模式
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

// 调用复位校准
ADC_ResetCalibration(ADC1);
// 等待复位校准完成，该函数是返回复位校准的状态，所以要等待复位校准完成的话，要加一个while循环
while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET) ;
// 开始校准
ADC_StartCalibration(ADC1);
// 等待校准完成
while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

// 首先软件触发，然后等待转换完成，也就是等待EOC标志位置1，最后读取ADC数据寄存器
uint16_t AD_GetValue(void)
{
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
return ADC_GetConversionValue(ADC1); // 获取转换值
}

修改转换模式

上面用的是单次转换，非扫描模式。如果要换成连续转换，扫描模式，首先需要在ADC初始化的时候，设置

之后因为，连续转换只需要刚开始的时候开启软件触发就可以了，之后会自动开启，所以把红色框内的内容放到了初始化部分。

AD多通道代码

使用单次转换，非扫描模式。在每次触发转换之前，手动更改一下列表第一个位置的通道。

接线图

代码