八、ADC模数转换

六、ADC模数转换

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
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简介

“地址锁存和译码”用来选择通道

“IN0~IN7”是8路输入通道，可以输入模拟信号

使用“通道选择开关”选择其中的一路，输入到“比较器”的待测端

“比较器“可以判断两个输入信号的电压大小关系，输出高低电平指示大小。一端是待测端，另一端是”DAC“的电压输出端

给“DAC”一个数据，他就可以输出数据对应的电压，其内部原理是使用加权电阻网络实现

将”比较器“待测端的未知电压与“DAC”输出的已知电压进行比较，当未知电压不等于“DAC”输出的电压时，就调整输入”DAC“的数据来改变”DAC“输出的电压，直到与未知电压近似，此时”比较器“待测端的电压的数字信号就等于输入给”DAC“的数据。比较的方法是：二分法

获取模拟信号对应的数字信号后，将数字信号存放到“8位三态锁存缓冲器”中，并将标志位“EOC”置1，表示成功获取到了数字信号，可以从“8位三态锁存缓冲器”中取值了

STM32的ADC外设

规则组：
- 规则通道：规则组转换单元，一次可以选中16个通道，然后依次进行转换。也可以选择16个通道以下的通道数。
- 规则通道数据寄存器：存放规则组转换出来的数据，只有一个数据寄存器，所以当规则组同时转换多个通道的数据时，转换完成一个通道就需要立马将该通道转换的数据取出来，否则会被后面通道转换的数据覆盖。一般配合DMA来使用
注入组：
- 注入通道：注入组转换单元，一次可以选中4个通道，然后依次进行转换。也可以选择4个通道以下的通道数。
- 注入通道数据寄存器：存放注入组转换出来的数据，有四个数据寄存器，分别对应注入通道连接的4个通道，因此注入组不必担心转换出来的数据被覆盖的情况

ADC的基本结构

ADC输入通道

规则组的转换模式

单次转换：在完成一次转换后，进行下一次转换时需要重新触发一次

连续转换：在完成一次转换后，进行下一次转换时无需再触发，自动开始转换

非扫描模式：每一次转换只能转换一个通道

扫描模式：每次转换可以转换16个及以下的通道，按照序列一个一个的转换。16个序列中可以放重复的通道

间断模式：在扫描模式下，每隔几个转换就暂停一次，需要再次触发才能继续转换

单次转换，非扫描模式

连续转换，非扫描模式

单次转换，扫描模式

连续转换，扫描模式

触发控制

EXTSEL：配置寄存器的参数。使用库函数的话给个参数就行

触发源：用于触发AD转换

数据对齐

STM32的ADC外设是12位的，那么转换结果只有12位，但是数据寄存器是16位的，所以数据有两种对齐方式

数据右对齐：低16位写转换出来的数据，高4位补0

一般使用该方式，直接读寄存器就是转换的结果，不需要二次计算

数据左对齐：高16位写转换出来的数据，低4位补0

直接读寄存器的话会比实际值大，对于不需要很高分辨率的情况可以选这种，只读寄存器的高8位，舍弃掉后面4位的精度，相当于8位ADC

转换时间

AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码

采样、保持：AD在转换时是需要一小段时间的，需要输入的电压稳定不变才能准确的定位。比如用一个小容量的电容存储一下采样的电压，方便后面的量化、编码

量化、编码：逐次比较

STM32 ADC的总转换时间为：TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期

采样时间是在保持电压时消耗的时间

ADC周期是从RCC分频过来的ADCCLK，最大频率为14MHz

12位的ADC，所以需要12个周期，还有0.5个周期是做其他事情花的时间

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

当然，也可以对ADCCLK进行超频，大于14MHz，这样转换时间会更快，但是稳定性会下降

校准

不需要详细了解，只需要在初始化ADC的后面加上几条用于校准的代码即可

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

可输出不同电压的电路

ADC库函数

ADC_InitTypeDef参数

typedef struct
{
  uint32_t ADC_Mode;                      /*!< 选择工作模式，独立模式还是双ADC模式 */
  FunctionalState ADC_ScanConvMode;       /*!< 选择扫描模式或非扫描模式 */
  FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; /*!< 单次转换还是连续转换 */
  uint32_t ADC_ExternalTrigConv;          /*!< 选择转换的触发源 */
  uint32_t ADC_DataAlign;                 /*!< 选择数据的对齐，左对齐或右对齐 */
  uint8_t ADC_NbrOfChannel;               /*!< 扫描模式下每一次转换的通道数 */
}ADC_InitTypeDef;

/* ADC_Mode */
ADC_Mode_Independen				// 独立模式
// 下面都是双ADC相关的工作模式
ADC_Mode_RegInjecSimult
ADC_Mode_RegSimult_AlterTrig
ADC_Mode_InjecSimult_FastInterl
ADC_Mode_InjecSimult_SlowInterl
ADC_Mode_InjecSimult
ADC_Mode_RegSimult
ADC_Mode_FastInterl
ADC_Mode_SlowInterl
ADC_Mode_AlterTrig
    
/* ADC_ScanConvMode */
ENABLE		// 扫描模式
DISABLE		// 非扫描模式
    
/* ADC_ContinuousConvMode */
ENABLE		// 连续转换模式
DISABLE		// 单次转换模式

/* ADC_ExternalTrigConv */
ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1					// TIM1_CC1事件
    /*!< 适用于ADC1 和 ADC2 */
ADC_ExternalTrigConv_T1_CC2					// TIM1_CC2事件
    /*!< 适用于ADC1 和 ADC2 */
ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2					// TIM2_CC2事件
    /*!< 适用于ADC1 和 ADC2 */
ADC_ExternalTrigConv_T3_TRGO				// TIM3_TRGO事件
    /*!< 适用于ADC1 和 ADC2 */
ADC_ExternalTrigConv_T4_CC4					// TIM4_CC4事件
    /*!< 适用于ADC1 和 ADC2 */
ADC_ExternalTrigConv_Ext_IT11_TIM8_TRGO		// EXTI线11/TIM8_TRGO事件
    /*!< 适用于ADC1 和 ADC2 */

ADC_ExternalTrigConv_T1_CC3					// TIM1_CC3事件
    /*!< 适用于ADC1, ADC2, ADC3 */
ADC_ExternalTrigConv_None					// 软件控制
    /*!< 适用于ADC1, ADC2, ADC3 */

ADC_ExternalTrigConv_T3_CC1					// TIM3_CC1事件
    /*!< 仅适用于ADC3 */
ADC_ExternalTrigConv_T2_CC3					// TIM2_CC3事件
    /*!< 仅适用于ADC3 */
ADC_ExternalTrigConv_T8_CC1					// TIM8_CC1事件
    /*!< 仅适用于ADC3 */
ADC_ExternalTrigConv_T8_TRGO				// TIM8_TRGO事件
    /*!< 仅适用于ADC3 */
ADC_ExternalTrigConv_T5_CC1					// TIM5_CC1事件
    /*!< 仅适用于ADC3 */
ADC_ExternalTrigConv_T5_CC3					// TIM5_CC3事件
    /*!< 仅适用于ADC3 */
    
/* ADC_DataAlign */
ADC_DataAlign_Right		// 数据右对齐
ADC_DataAlign_Left		// 数据左对齐

/* ADC_NbrOfChannel */
1~16

函数

// 配置ADCCLK分频器，对APB2的72MHz时钟选择2、4、6、8分频，输入到ADCCKL
void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2);	// 该函数来自rcc.c文件中

// ADC恢复初始化配置
void ADC_DeInit(ADC_TypeDef* ADCx);

// 使用ADC_InitTypeDef结构体中的属性配置ADC
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);

// 使用默认值填充ADC_InitTypeDef结构体
void ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);

// 启动或关闭ADC
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// 启动或关闭DMA
void ADC_DMACmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// ADC的中断输出控制
void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT, FunctionalState NewState);

/* 用于控制校准的函数 */
// 复位校准寄存器
void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
// 校准寄存器是否复位完成
FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
// 开始校准
void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
// 是否校准完成
FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

// ADC软件触发转换
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// ADC获取软件开始转换的状态，没啥用，一般不使用
FlagStatus ADC_GetSoftwareStartConvStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

/* 配置间断模式的 */
// 每隔几个通道间断一次
void ADC_DiscModeChannelCountConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Number);
// 是否启动间断模式
void ADC_DiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// ADC规则组通道配置
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);

// 是否允许外部触发转换
void ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// 获取AD转换的数据寄存器，读取转换结果的
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);

// 双ADC模式下读取转换结果
uint32_t ADC_GetDualModeConversionValue(void);

/* 配置注入组相关函数，Injected */
void ADC_AutoInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_InjectedDiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_ExternalTrigInjectedConvConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_ExternalTrigInjecConv);
void ADC_ExternalTrigInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_SoftwareStartInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
FlagStatus ADC_GetSoftwareStartInjectedConvCmdStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_InjectedChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
void ADC_InjectedSequencerLengthConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Length);
void ADC_SetInjectedOffset(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_InjectedChannel, uint16_t Offset);
uint16_t ADC_GetInjectedConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_InjectedChannel);

/* 配置模拟看门狗的函数 */
// 是否启动模拟看门狗
void ADC_AnalogWatchdogCmd(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_AnalogWatchdog);
// 配置看门狗的高低阈值
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。开启内部的两个通道
void ADC_TempSensorVrefintCmd(FunctionalState NewState);

// 获取转换完成标志位状态，判断转换是否完成。中断函数外使用
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);

// 清除转换完成标志位。中断函数外使用
void ADC_ClearFlag(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);

// 获取中断状态。中断函数中使用
ITStatus ADC_GetITStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);

// 清除中断挂起位。中断函数中使用
void ADC_ClearITPendingBit(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);

案例

AD单通道转换

使用的函数

// 配置ADCCLK分频器，对APB2的72MHz时钟选择2、4、6、8分频，输入到ADCCKL
void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2);	// 该函数来自rcc.c文件中

// 使用ADC_InitTypeDef结构体中的属性配置ADC
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);

// 启动或关闭ADC
void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// 复位校准寄存器
void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
// 校准寄存器是否复位完成
FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
// 开始校准
void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
// 是否校准完成
FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

// ADC软件触发转换
void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

// ADC规则组通道配置
void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);

// 获取AD转换的数据寄存器，读取转换结果的
uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);

// 获取转换完成标志位状态，判断转换是否完成。中断函数外使用
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);

// 清除转换完成标志位。中断函数外使用
void ADC_ClearFlag(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);

接线图

示例代码

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

int16_t Speed;

int main()
{
	/* 开启ADC2和GPIOA的时钟 */
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC2 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	/* 初始化PA0 */
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;		// 模拟输入模式
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
	
	// 对72MHz的PAB2时钟进行分频得到ADCCLK，其中ADCCLK最大频率为14MHz
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);	// 6分频
	
	// 规则组配置。PA0对应ADC2的通道0；通道0排在转换序列的第一位；采样、保持的时间55.5个ADC周期
	ADC_RegularChannelConfig(ADC2, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
	
	/* 初始化ADC2 */
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
	ADC_InitStruct.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;						// 连续转换
	ADC_InitStruct.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;					// 数据右对齐
	ADC_InitStruct.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;	// 使用软件作为AD转换的触发源
	ADC_InitStruct.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;						// ADC的工作模式为独立模式，ADC1和ADC2给干各的
	ADC_InitStruct.ADC_NbrOfChannel = 1;								// 每次转换有几个通道。只有在扫描模式下才有效
	ADC_InitStruct.ADC_ScanConvMode = DISABLE;							// 非扫描模式
	ADC_Init(ADC2, &ADC_InitStruct);
	
	// ADC2开始工作
	ADC_Cmd(ADC2, ENABLE);
	
	/* ADC校准 */
	ADC_ResetCalibration(ADC2);								// 复位ADC2的校准寄存器
	while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC2) == SET);		// ADC2的校准寄存器是否复位完成。复位完成后返回RESET
	ADC_StartCalibration(ADC2);								// ADC2开始进行校准
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC2) == SET);			// ADC2是否校准完成。校准完成后返回RESET
	
	// 对ADC2进行软件中断，由于是连续转换模式，所以只需要触发一次即可
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC2, ENABLE);
	
	OLED_Init();
	while(1)
	{
		// AD的规则组是否转换完成，转换完成后返回SET
		while(ADC_GetFlagStatus(ADC2, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
		// ADC_GetConversionValue：读取转换结果。该函数就是直接读取DR寄存器，而读取DR寄存器时会自动清除EOC标志位，所以不用手动清除EOC
		OLED_ShowNum(1,1,ADC_GetConversionValue(ADC2), 5);
		Delay_s(1);
	}
}

AD多通道转换