代码收藏家技术教程 2024-06-21

深入了解STM32的ADC模数转换技术

最近又玩了一个小模块Pulsesensor心率模块，这个模块是由ADC采集的，ADC知识还是挺多的，想到第一次学习ADC已经是好久以前，感慨时光如梭，拾捣拾捣以前的知识，总会又收获许多，这回便来说说ADC吧

ADC转换过程：抽样、量化、编码

STM32F407ZGT6
有
3

个
ADC
，可配置
12 位、10 位、8 位或 6 位
分辨率(把一块蛋糕分成12块、10块，分的越多，就越精细)，
ADC
有
19
个通道（其中外部通道16
个）。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方式存储在16
位数据寄存器中。

单次：
假如有10个引脚采集adc,单次的含义就是，从头到尾采集一次，但是不会重头再来采集第二遍，除非手动再触发一次。例如歌单的
列表单次循环

连续：
从头到尾采集完，继续从头到尾循环采集。
例如歌单的列表连续循环

扫描：
假如有多通道需要采集，
使能
此模式，会把这几个通道都采集，
失能
此模式，只会采集这几个通道中的第一个；假如只有一个通道需要，
无论使能还是失能
，那么直接采集这个单通道就行

间断：
间断转换模式是连续转换模式的一种变体，其中ADC在每次转换后不是立即开始下一次转换，而是等待一段时间。

左对齐右对齐：16位数据寄存器中存放最多12位分辨率的数值，所以可以选择左对齐，右对齐模数

ADC最大时钟：36Mhz

STM32F407ZGT6
包含有
3
个
ADC
。
STM32F4
的
ADC
最大的转换速率为 2.4Mhz
，也就是转换时间为 0.41us
（在
ADCCLK=36M,
采样周期为
3
个
ADC
时钟下得到），不要让
ADC
的时钟超过36M，否则将导致结果准确度下降。

ADC参考电压

ADC
输入范围为：
VREF-
≤
VIN
≤
VREF+
。在设计原理图的时候一般把
VSSA (供电负电压)
和
VREF- (参考负电压)
接地，把 VREF+ (参考正电压)和
VDDA (供电正电压)
接
3V3
，得到
ADC
的输入电压范围为：
0~3.3V。

输入通道

我们确定好
ADC
输入电压之后，那么电压怎么输入到
ADC
？这里我们引入通道的概念，
STM32
的 ADC 多达
19

个通道，其中外部的
16
个通道就是框图中的
ADCx_IN0
、
ADCx_IN1
⋯
ADCx_IN5
。这
16 个通道对应着不同的IO
口，具体是哪一个
IO
口可以从手册查询到。

ADC123_IN0：ADC1、ADC2、ADC3的通道 0 共用PA0引脚。

ADC 多达19 个通道：
16个外部通道+3个内部通道(温度传感器、VREFINT、VBAT)，但是每次只能处理16个ADC通道，所以无法同时处理19个通道。

STM32F4ZGT6ADC引脚分布图

规则通道和注入通道

外部的
16
个通道在转换的时候又分为规则通道和注入通道，其中规则通道最多有
16
路，注入通道最多有4
路。那这两个通道有什么区别？在什么时候使用？

规则通道

平时一般使用的就是这个通道，它们的优先级较低，通常用于常规的采样任务。

注入通道

注入，可以理解为插入，注入通道则用于在规则通道的基础上提供更高的优先级采样。注入通道的数据采样可以在规则通道采样进行的同时进行，具有更高的优先级。通常用于对某些事件或条件的快速响应，例如紧急事件采样或高优先级传感器的采样。

如果在规则通道转换过程中，有注入通道插队，那么就要先转换完注入通道，等注入通道转换完成后，再回到规则通道的转换流程。这点跟中断程序很像，所以，注入通道只有在规则通道存在时才会出现

举例：
假设你正在使用STM32控制一个温度传感器。你需要定期地（每1秒）采集温度数据，并且有时候需要在突发事件发生时（比如温度快速升高）立即采集更多的数据。

对于规则通道
：你会设置
ADC
在每秒钟采样一次，通过规则通道来获取温度数据。这是一种周期性的采样方式，对于大多数情况下的温度监测来说是足够的。

对于注入通道
：你可以设置
ADC
来在检测到温度突然升高时，立即进行更高优先级的采样，以获取更频繁的温度数据，以便更快地做出响应。

总结：
注入通道拥有更高的优先级，可以近似理解成中断

触发源

触发方式：普通触发和外部触发，规则通道和注入通道都是这样

普通触发：

①
ADC 转换可以由ADC 控制寄存器2:
ADC_CR2 的ADON 这个位来控制，写1 的时候开始转换，写0 的时候停止转换，这个是最简单也是最好理解的开启ADC 转换的控制方式

外部触发：要使能外部触发模式

②
TIM定时器定时转换

③
外部中断触发转换，
包括选择禁止触发检测、上升沿检测、下降沿检测以及上升沿和下降沿均检测

ADC 时钟

ADC
输入时钟
ADC_CLK
由
PCLK2
经过分频产生，
最大值是
36MHz
，分频因子由
ADC
通用控制寄存器ADC_CCR
的
ADCPRE[1:0]
设置，可设置的分频系数有
2
、
4
、
6
和
8

对于我们的芯片来说，
APB2=84Mhz
，而
ADC
最大时钟频率为
36Mhz
，如果分频系数为
2
，则84Mhz/2=42Mhz>36Mhz ,
所以一般情况下为4分频，即84/4=21Mhz。

采样时间

ADC
需要若干个
ADC_CLK
周期完成对输入的电压进行采样，采样的周期数可通过
ADC
采样时间寄存器ADC_SMPR1
和
ADC_SMPR2
中的
SMP[2:0]
位设置，
ADC_SMPR2
控制的是通道
0~9
， ADC_SMPR1 控制的是通道
10~17
。每个通道可以分别用不同的时间采样。其中采样周期最小是
3 个。 ADC 的总转换时间跟
ADC
的输入时钟和采样时间有关，公式为：

Tconv =
采样时间
+ 12
个周期

其中：
Tcovn
为总转换时间，采样时间是根据每个通道的
SMP
位的设置来决定的。例如，

当
ADCCLK=21Mhz
的时候，并设置
3
个周期的采样时间，则得到
Tcovn=3+12=15
个周期
=0.71us
。（为什么要加12
个周期呢？这个额外的
延迟周期
是指
ADC
转换开始时，
ADC
开始进行样本保持，直到样本保持电路中的电压稳定下来，以确保所采集的数据是准确的，这个过程需要一定的时间

总结：
Tconv =
采样时间
+ 12 个周期例如：3 + 12

3(3个时钟周期触发采样) +
12(需要12个时钟周期稳定电路，也就是转换过程需要时间)

数据寄存器

规则数据寄存器ADC_DR

ADC
规则组数据寄存器ADC_DR 只有一个
，是一个
32
位的寄存器，只有
低
16
位有效
并且只是用于独立模式存放转换完成数据。因为ADC
的最大精度是
12
位，
ADC_DR
是
16
位有效，这样允许 ADC 存放数据时候选择左对齐或者右对齐，具体是以哪一种方式存放，由
ADC_CR2
的
11
位
ALIGN 设置。假如设置ADC
精度为
12
位，如果设置数据为左对齐，那
AD
转换完成数据存放在
ADC_DR
寄存器的[4:15]
位内；如果为右对齐，则存放在
ADC_DR
寄存器的
[0:11]
位内。
规则通道可以有16 个这么多，可规则数据寄存器只有一个，如果使用多通道转换，那转换的数据就全部都挤在了DR 里面，前一个时间点转换的通道数据，就会被下一个时间点的另外一个通道转换的
数据覆盖掉
，所以当通道转换完成后就应该把数据取走，或者开启
DMA
模式，把数据传输到内存里面，不然就会造成数据的覆盖。最常用的做法就是开启DMA
传输。

注入数据寄存器ADC_JDRx

ADC
注入组最多有4个通道
，刚好注入数据寄存器也有
4
个，每个通道对应着自己的寄存器，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。ADC_JDRx
是
32
位的，低
16
位有效，高
16
位保留，数据同样分为左对齐和右对齐，具体是以哪一种方式存放，由ADC_CR2
的
11
位
ALIGN
设置。

中断

数据转换结束后，可以产生中断，中断分为四种：

①规则通道转换结束中断：
跟我们平时接触的中断一样，有相应的中断标志位和中断使能位

②注入转换通道转换结束中断：
有相应的中断标志位和中断使能位

③模拟看门狗中断：当被ADC 转换的模拟电压低于低阈值或者高于高阈值时，就会产生中断，前提是我们开启了模拟看门狗中断，其中低阈值和高阈值由ADC_LTR 和ADC_HTR 设置。例如我们设置高阈值是 2.5V，那么模拟电压超过2.5V 的时候，就会产生模拟看门狗中断，反之低阈值也一样。

④溢出中断：
如果发生DMA 传输数据丢失，会置位ADC 状态寄存器ADC_SR 的OVR 位，如果同时使能了溢出中断，那在转换结束后会产生一个溢出中断。（相当于错误处理）

DMA请求

规则和注入通道转换结束后，除了产生中断外，还可以产生
DMA
请求，把转换好的数据直接存储在内存里面

ADC 初始化结构体

ADC_InitTypeDef 结构体
typedef struct
5 {
       uint32_t ADC_Resolution;                     //ADC 分辨率选择 
7      FunctionalState ADC_ScanConvMode;            //ADC 扫描选择
8      FunctionalState ADC_ContinuousConvMode;      //ADC 连续转换模式选择
9      uint32_t ADC_ExternalTrigConvEdge;           //ADC 外部触发极性
10     uint32_t ADC_ExternalTrigConv;               //ADC 外部触发选择 
11     uint32_t ADC_DataAlign;                      //输出数据对齐方式 
12     uint8_t ADC_NbrOfConversion;                 //转换通道数目
13 }ADC_InitTypeDef;
ADC_Resolution
：
配置ADC 的分辨率，可选的分辨率有12 位、10 位、8 位和6 位。分辨率越高，AD 转换数据精度越高，转换时间也越长；分辨率越低，AD 转换数据精度越低，转换时间也越短。

ScanConvMode：可选参数为ENABLE 和DISABLE，配置是否使用扫描。如果是单通道AD 转换使用 DISABLE，如果是多通道AD 转换使用ENABLE。

ADC_ContinuousConvMode：
可选参数为ENABLE 和DISABLE，配置是启动自动连续转换还是单次转换。使用 ENABLE 配置为使能自动连续转换；使用DISABLE 配置为单次转换，转换一次后停止需要手动控制才重新启动转换。

ADC_ExternalTrigConvEdge：
外部触发极性选择，如果使用外部触发，可以选择触发的极性，可选有禁止触发检测、上升沿触发检测、下降沿触发检测以及上升沿和下降沿均可触发检测。

ADC_ExternalTrigConv：
外部触发选择，ADC 功能框图中列举了很多外部触发条件，可根据项目需求配置触发来源。实际上，我们一般使用软件自动触发。

ADC_DataAlign：
转换结果数据对齐模式，可选右对齐
ADC_DataAlign_Right 或者左对齐

ADC_DataAlign_Left：一般我们选择右对齐模式。

ADC_NbrOfChannel：
ADC 转换通道数目。

ADC_CommonInitTypeDef 结构体
typedef struct 
2 {
3     uint32_t ADC_Mode; 
4     uint32_t ADC_Prescaler; 
5     uint32_t ADC_DMAAccessMode; 
6     uint32_t ADC_TwoSamplingDelay; 
 
7 }ADC_CommonInitTypeDef;
ADC_Mode：
ADC 工作模式选择，有独立模式、双重模式以及三重模式。

ADC_Prescaler：
ADC 时钟分频系数选择，ADC 时钟是有PCLK2 分频而来，分频系数决定ADC 时钟频率，可选的分频系数为2、4、6 和8。ADC 最大时钟配置为36MHz。
ADC_DMAAccessMode：
DMA 模式设置，只有在双重或者三重模式才需要设置，可以设置三种模式，具体可参考参考手册说明。

ADC_TwoSamplingDelay：
2 次采样阶段之前的延迟，对双重和三重采样有效。

独立采样（Independent Sampling）：独立采样是指ADC对每个转换周期的输入信号只进行一次采样。这种模式下，ADC在每个采样周期的开始时读取一次模拟输入信号，并将其转换为数字值。独立采样是最简单的采样方式，但它可能容易受到噪声和干扰的影响，因为只有单一的采样点。

双重采样（Dual Sampling）：双重采样是指ADC在每个转换周期内对输入信号进行两次采样，然后对这两个采样值进行处理。第一次采样可能受到噪声的影响，而第二次采样则在稍后的时间进行，可以提供另一个测量点。通过比较或平均这两个采样值，可以减少噪声的影响，提高测量的准确性。双重采样通常用于需要提高信号稳定性和减少随机噪声的应用。

三重采样（Triple Sampling）：三重采样是双重采样的扩展，其中ADC在每个转换周期内对输入信号进行三次采样。与双重采样类似，三次采样可以进一步减少噪声和干扰的影响，提高测量精度。三次采样得到的值可以进行平均或选择最接近其他两个值的中间值，以减少异常值的影响。三重采样适用于对精度要求更高的应用，但会增加转换时间。这些采样技术可以减少由于外部噪声、电源波动或信号本身的不稳定性导致的误差。然而，增加采样次数也会增加转换所需的时间，这可能会降低ADC的采样率。在设计系统时，需要根据应用的具体要求来平衡采样精度和速度。此外，一些ADC还支持更高级的采样技术，如数字滤波、过采样和噪声整形，这些技术可以在数字域内进一步改善信号的质量。

作者：从此不叫無名