当前位置：首页 > news >正文

ADC模数转换器详解（基于STM32）

news 2025/9/11 6:35:44

一、ADC的作用
STM32的ADC是12位的，所以AD结果最大值是4095，也就是2^12-1，对应的电压是3.3V，那对于GPIO来说，它只能读取引脚的高低电平，要么是高电平，要么是低电平，只有两个值，而使用了ADC之后，我们就可以对这个高电平和低电平之间的任意电压进行量化，最终用一个变量来表示，读取这个变量，就可以知道引脚的具体电压到底是多少了，所以ADC其实就是一个电压表，把引脚的电压值测出来，放在一个变量里，这就是ADC的作用。

二、ADC简介
1、ADC（Analog-Digital Converter）模拟-数字转换器
2、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。
（ADC读取引脚上的模拟电压，转换为一个数据，存在寄存器里，我们再把这个数据读取到变量里来，就可以进行显示、判断、记录等等操作了）
3、12位逐次逼近型ADC，1us转换时间
4、输入电压范围：0_{3.3V，转换结果范围：0}4095
（ADC的输入电压，一般要求都是要在芯片供电的负极和正极之间变化的，最低电压就是负极0V，最高电压是正极3.3V）
5、18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源
（外部信号源就是16个GPIO口，在引脚上直接接模拟信号就行了，不需要任何额外的电路，引脚就直接能测电压）
（两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，比如你电脑可以显示一个CPU温度，就可以用ADC读取这个温度传感器来测量，内部参考电压是一个1.2V左右的基准电压，这个基准电压（见附录1）是不随外部供电电压变化而变化的，所以如果你芯片的供电不是标准的3.3V，那测量外部引脚的电压可能就不对，这时就可以读取这个基准电压进行校准，这样就能得到正确的电压值了）

三、ADC的组成结构
1、规则组和注入组两个转换单元
STM32 ADC的增强功能，普通的AD转换流程是，启动一次转换、读一次值，然后再启动、再读值，但是STM32的ADC就比较高级，可以列一个组，一次性启动一个组，连续转换多个值，并且有两个组，一个是用于常规使用的规则组，一个是用于突发事件的注入组
2、模拟看门狗自动监测输入电压范围
这个ADC，一般可以用于测量光线强度、温度这些值，并且经常会有个需求，就是如果光线高于某个阈值、低于某个阈值，或者温度高于某个阈值、低于某个阈值时，执行一些操作，这个高于某个阈值、低于某个阈值的判断，就可以用模拟看门狗来自动执行，模拟看门狗可以监测指定的某些通道，当AD值高于它设定的上阈值或者低于下阈值时，它就会申请中断，你就可以在中断函数里执行相应的操作，这样你就不用不断地手动读值，再用if进行判断了
3、STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道
本单片机的型号最多只能测量10个外部引脚的模拟信号，之前说的16个外部信号源，是这个系列最多有16个外部信号源，但是我们这个芯片引脚比较少，有很多引脚没有引出来，所以就只有10个外部信号源

四、ADC的两个关键参数
1、分辨率，一般用多少位来表示，12位AD值，它的表示范围就是0_{2^12-1，也就是0}4095，位数越高，量化结果就越精细，对应分辨率就越高。
2、转换时间，就是转换频率。AD转换是需要花一小段时间的，这里的1微秒就表示从AD转换开始到产生结果，需要花1微秒（0.000001秒）的时间，对应AD转换的频率就是1MHz（1000000Hz），这个就是STM32 ADC的最快转换频率，如果你需要转换一个频率非常高的信号，那就要考虑这个转换频率是不是够用，如果你的信号频率比较低，那这个最大1MHz的转换频率也完全够用了

五、逐次逼近型ADC原理详解

了解这个结构对学习STM32的ADC有很大帮助，因为STM32的ADC原理和这个是一样的，但是STM32只画了一个框表示ADC，并没有描述内部结构。
这个图是ADC0809的内部结构图，它是一个独立的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，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。
左边IN0~IN7是8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，下面是地址锁存和译码，就是你想选中哪个通道，就把通道号放在这三个脚上（ADDA、ADDB、ADDC），然后给一个锁存信号（ALE），上面这里对应的通路开关就可以自动拨好了，这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，你给个开始信号，过个几微秒就转换完成了，所以说如果你想转换多路信号，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，然后再开始转换就行了，这就是这个输入通道选择的部分，这个ADC0809只有8个输入通道。
输入信号选好了，怎么才能知道这个电压对应的编码数据是多少呢，这就需要我们用逐次逼近的方法来一一比较了，首先输入信号进入电压比较器，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，它的两个输入端，一个是待测的电压，另一个是DAC的电压输出端，DAC是数模转换器，给它一个数据，它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。
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，它俩同时输入到电压比较器，进行大小判断，如果DAC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了，这就是DAC的实现原理，这个电压调节过程就是这个逐次逼近寄存器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，比如这里是8位的ADC，那编码就是从0~255，第一次比较的时候，我们就给DAC输入255的一半，进行比较，那就是128，然后看谁大谁小，如果DAC电压大了，第二次比较的时候，再就给128的一半，64，如果还大，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，并且这个过程，如果你用二进制来表示的话，你会发现，128、64、32这些数据，正好是二进制每一位的位权，这个判断过程就相当于是，对二进制从高位到低位依次判断是1还是0的过程，这就是逐次逼近型名字的来源，那对于8位的ADC，从高位到低位依次判断8次就能找到未知电压的编码了，对于12位的ADC，就需要依次判断12次，这就是逐次逼近的过程。
那然后，AD转换结束后，DAC的输入数据，就是未知电压的编码了，然后输出到8位三态锁存缓冲器，8位就有8根线，12位就有12根线，最后上面EOC就是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，下面，VREF+和VREF-是DAC的参考电压，比如你给一个数据255，是对应5V还是3.3V呢，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，也接在一起，所以一般情况下，ADC的输入电压的范围就和ADC的供电是一样的。

六、STM32的ADC结构图详解

STM32的ADC结构图
在这里，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，一个是内部温度传感器，另一个是VREFINT（V Reference Internal）,内部参照电压，总共18个输入通道，然后到达这里，这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，然后在这里，对于普通的ADC，多路开关一般都是只选中一个的，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，但是这里就比较高级了，它可以同时选中多个，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，注入组最多可以选中4个通道，这有什么作用呢，举个例子，这就像是你去餐厅点菜，普通的ADC是，你指定一个菜，老板给你做，然后做好了送给你，这里就是，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，老板就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个菜，这样这个菜单就简化成了普通的模式了，那对于这个菜单呢，也有两种，一种是规则组菜单，可以同时上16个菜，但是它有个尴尬的地方，就是在这里，这个规则组只有一个数据寄存器，就是这个桌子比较小，最多只能放一个菜，你如果上16个菜，那不好意思，前15个菜都会被挤掉，你只能得到第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，把这个菜挪到其他地方去，防止被覆盖。那现在我们就知道了，这个规则组虽然可以同时转换16个通道，但是数据寄存器只能存一个结果，如果不想之前的结果被覆盖，那在转换完成之后，就要尽快把结果拿走。
接着我们看一下注入组，这个组就比较高级了，它相当于是餐厅的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，这就是规则组和注入组的介绍，一般情况下，我们使用规则组就完全足够了，如果要使用规则组的菜单，那就再配合DMA转运数据，这样就不用担心数据覆盖的问题了。所以接下来只谈规则组的操作
继续看模数转换器外围的一些线路，首先，左下角这里是触发转换的部分，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，就是方框图右下角的这些触发源，上面是注入组的触发源，下面这些是规则组的触发源，这些触发源主要是来自于定时器，由定时器的各个通道，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，正常的思路就是，用定时器，每隔1ms申请一个中断，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，比如这里，就可以给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，整个过程不需要进中断，节省了中断资源，这就是这里定时器触发的作用，当然这里还可以选择外部中断引脚来触发转换，都可以在程序中配置，这就是触发转换的部分。
左上角这里是VREF+、VREF-、VDDA和VSSA。VREF+和VREF-是ADC的参考电压，决定了ADC输入电压的范围，VDDA和VSSA是ADC的供电引脚，一般情况下，VREF+要接VDDA，VREF-要接VSSA，在我们这个芯片上，没有VREF+和VREF-的引脚，它在内部就已经和VDDA和VSSA接在一起了。VDDA和VSSA是内部模拟部分的电源，比如ADC、RC振荡器、锁相环等，在这里VDDA接3.3V，VSSA接GND，所以ADC的输入电压范围就是0~3.3V。
右边这里ADCCLK是ADC的时钟，是用于驱动内部逐次比较的时钟，来自ADC预分频器，这个ADC预分频器是来源于RCC的
DMA请求，用于触发DMA进行数据转运，然后是两个数据寄存器，用于存放转换结果的，上面还有模拟看门狗，它里面可以存一个阈值高限和阈值低限，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，就会在上面，申请一个模拟看门狗的中断，最后通向NVIC，然后对于规则组和注入组而言，它们转换完成之后，也会有一个EOC转换完成的信号，在这里，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，我们读取这个标志位，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

七、ADC的转换模式
1、单次转换、非扫描模式

单次转换，非扫描模式，这个是最简单的，这里我画了一个列表，这个表就是规则组里的菜单，有16个空位，分别是序列1到序列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，在这里我们可以在序列1的位置指定我们想转换的通道，比如通道2，写到这个位置，然后我们就可以触发转换，ADC就会对这个通道2进行模数转换，过一小段时间后，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，整个转换过程就结束了，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，如果我们想再启动一次转换，那就需要再触发一次，转换结束，置EOC标志位，读结果。如果想换一个通道，那在转换之前，把第一个位置的通道2改成其他通道，然后再启动转换，这就是单次转换，非扫描模式。没有用到这个菜单列表，也是比较简单的一种模式。

2、连续转换，非扫描模式

首先，它还是非扫描模式，所以菜单列表就只用第一个，然后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，非扫描模式。

3、单次转换，扫描模式

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，下次转换就得再触发才能开始，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，比如第一个菜是通道2，第二个菜是通道5，等等，这里每个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，因为这16个位置你可以不用完，只用前几个，那你就需要再给一个通道数目的参数，告诉它，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，它就依次对这前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，这就是单次转换，扫描模式的工作流程。

4、连续转换，扫描模式

那最后再看一下连续转换，扫描模式，这个模式就是在上一个模式的基础上，变了一点，就是一次转换完成后，立刻开始下一次的转换，和上面这里非扫描模式的单次和连续是一个套路，当然在扫描模式的情况下，还可以有一种模式，叫间断模式，它的作用是，在扫描的过程中，每隔几个转换，就暂停一次，需要再次触发，才能继续，这个模式我没有列出来，要不然模式太多了，了解即可，暂时不需要掌握

八、ADC的转换时间

为什么需要采样保持呢？这是因为，我们的AD转换，就是后面的量化编码，是需要一小段时间的，如果在这一小段时间里，输入的电压还在不断变化，那就没法定位输入电压到底在哪了，所以在量化编码之前，我们需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，这就是采样保持电路，那采样保持的过程中，需要闭合采样开关，过一段时间再断开，这里就会产生一个采样时间。
采样时间是采样保持花费的时间，这个可以在程序中进行配置，采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰，不过转换时间也会相应延长，12.5个ADC周期是量化编码花费的时间，因为是12位的ADC，所以需要花费12个周期，这里多了半个周期，可能是做其他一些东西花的时间，ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK，这个ADCCLK最大是14MHz。
所以下面有个例子，这里就是最快的转换时间
当ADCCLK=14MHz，采样时间为1.5个ADC周期。Tconv = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期，在14MHz ADCCLK的情况下就 = 1微秒，这就是1微秒时间的来源

附录1：参考电压和参照电压
每个STM32芯片都有一个内部的参照电压，相当于一个标准电压测量点，在芯片内部连接到ADC1的通道17。
根据数据手册中的数据，这个参照电压的典型值是1.20V，最小值是1.16V，最大值是1.24V。这个电压基本不随外部供电电压的变化而变化。
不少人把这个参照电压与ADC的参考电压混淆。ADC的参考电压都是通过Vref+提供的。100脚以上的型号，Vref+引到了片外，引脚名称为Vref+；64脚和小于64脚的型号，Vref+在芯片内部与VCC信号线相连，没有引到片外，这样AD的参考电压就是VCC上的电压。
在ADC的外部参考电压波动，或因为Vref+在芯片内部与VCC相连而VCC变化的情况下，如果对于ADC测量的准确性要求不高时，可以使用这个内部参照电压得到ADC测量的电压值。
具体方法是在测量某个通道的电压值之前，先读出参照电压的ADC测量数值，记为ADrefint；再读出要测量通道的ADC转换数值，记为ADchx；则要测量的电压为：
Vchx = Vrefint * (ADchx/ADrefint)