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STM32--------ADC转换

news 2025/10/20 11:47:48

一.ADC概念

STM32 系列微控制器的 ADC（模拟 - 数字转换器）是其重要的外设之一，用于将外部或内部的模拟信号转换为数字信号，广泛应用于传感器数据采集、电压监测、信号处理等场景。以下是 STM32 ADC 的核心特性和关键信息：

1. 基本特性

分辨率：常见为 12 位（部分型号支持 10/8/6 位可调，以牺牲精度换取速度），即转换结果范围为 0~4095（对应模拟输入电压范围）。
转换速率：最高可达数兆采样率（如 STM32H7 系列可达 36MSPS，不同系列性能差异较大，如 F1 系列最高约 1MHz，F4 系列约 2.4MHz）。
通道数量：最多支持 16 个外部模拟通道（对应 GPIO 引脚）+ 多个内部通道（如温度传感器、内部参考电压 VREFINT、VBAT 电池电压等）。
供电与参考电压：通常以 VDD 为供电，模拟参考电压可使用内部 VREF+（默认与 VDD 相连）或外部独立参考电压（部分型号支持）。

2. 工作模式

单次转换模式：触发一次转换后，只转换一个通道或一组通道，完成后停止。
连续转换模式：触发后持续转换指定通道，直到手动停止。
扫描模式：自动按顺序转换多个通道（需配置通道序列），适用于多通道采集。
间断模式：将通道序列分成多组，每组转换完成后暂停，等待下一次触发，适合分批采集。

3. 转换触发方式

软件触发：通过程序写入寄存器主动触发转换。
硬件触发：由定时器（TIM1/TIM2 等）、外部中断引脚（EXTI）等外设触发，适合周期性或事件驱动的采集（如定时采样传感器）。

4. 数据对齐方式

转换结果可配置为左对齐或右对齐（默认右对齐，便于直接处理 0~4095 的数值）。

5. 校准功能

支持内部校准（包括单一端校准和差分校准，部分型号），可减少偏移误差和增益误差，提高转换精度，建议初始化时执行校准。

6. 常见应用步骤

引脚配置：将 ADC 通道对应的 GPIO 配置为模拟输入模式（GPIO_Mode_AN）。
ADC 时钟配置：ADC 时钟来自 APB2 总线（部分系列如 H7 有独立时钟），需确保时钟频率在手册规定范围内（如 F1 系列 ADC 时钟不超过 14MHz）。
初始化配置：设置分辨率、转换模式（单次 / 连续）、扫描模式、触发源、数据对齐等。
通道配置：指定转换通道及顺序（如规则通道组或注入通道组，注入通道可中断优先级更高的转换）。
校准：调用校准函数（如ADC_Calibration_Volts()）。
启动转换：通过软件或硬件触发，等待转换完成（可查询标志位或使用中断 / DMA）。
读取数据：从 ADC 数据寄存器（ADC_DR）读取转换结果。

7. 提高精度的技巧

确保参考电压稳定（必要时外接高精度基准源）。
对模拟输入信号进行滤波（如 RC 滤波），减少噪声。
避免 ADC 通道与高频数字信号引脚相邻，减少干扰。
多次采样后取平均值，降低随机误差。

二.原理图

这张图展示了 STM32 系列单片机中 ADC（模拟 - 数字转换器）的内部结构与信号流程，可从以下几个部分来解释：

输入部分

GPIO：有 16 个通用输入 / 输出引脚，可作为 ADC 的模拟输入通道，用于采集外部传感器（如温度传感器、电压传感器等）的模拟信号。
温度：芯片内部的温度传感器，其输出的模拟信号可被 ADC 采集，用于监测芯片温度。
VREFINT：内部参考电压，为 ADC 转换提供稳定的参考电平，保证 ADC 转换的精度。

ADC 转换器部分

ADC 转换器分为规则组和注入组：

规则组：最多可配置 16 个通道，用于常规的 ADC 转换任务，按预先设置的顺序进行转换，转换结果存储在 1 个规则组结果寄存器中。
注入组：最多可配置 4 个通道，具有更高的优先级，可在规则组转换过程中插入转换，转换结果存储在 4 个注入组结果寄存器中，适用于需要紧急处理的模拟信号采集。

控制与时钟部分

触发控制（START）：用于启动 ADC 转换，可以是软件触发（通过程序指令启动），也可以是硬件触发（如定时器触发、外部引脚触发等）。
RCC（CLOCK）：复位与时钟控制模块，为 ADC 提供工作时钟，时钟的配置会影响 ADC 转换的速度和精度。

数据存储与中断部分

AD 数据寄存器：
- 规则组结果寄存器：存储规则组通道转换后的数字结果。
- 注入组结果寄存器：存储注入组通道转换后的数字结果。
模拟看门狗：可设置上限和下限阈值，当 ADC 转换结果超出阈值范围时，会触发中断或标志位，用于对模拟信号进行监控和异常检测。
中断输出控制与 NVIC：当 ADC 转换完成（EOC，End Of Conversion）或模拟看门狗触发等事件发生时，会产生中断请求，通过中断输出控制模块传递给嵌套向量中断控制器（NVIC），进而执行相应的中断服务程序。

开关控制

用于控制 ADC 模块的使能与关闭，以实现功耗管理等功能。

三.输入通道对应图

四.转换模式

1. 单次转换模式（Single - conversion mode）

工作原理：当触发 ADC 转换后，ADC 仅执行一次转换操作，完成对指定通道的模拟信号到数字信号的转换，转换结束后，ADC 进入等待状态，不会自动进行下一次转换。触发方式可以是软件触发，也可以是硬件触发（如定时器触发、外部中断触发等）。
代码示例（基于 HAL 库）：

// 配置ADC为单次转换模式
ADC_HandleTypeDef hadc;
hadc.Instance = ADC1;
hadc.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
HAL_ADC_Init(&hadc);// 触发转换
HAL_ADC_Start(&hadc);
while(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100)!= HAL_OK);
uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc);

适用场景：适用于对采样频率要求不高，只需要在特定时刻获取一次模拟信号数值的场景，例如按键按下后采集一次传感器数据，或者在系统初始化时对某个模拟量进行一次检测。

2. 连续转换模式（Continuous - conversion mode）

工作原理：一旦触发 ADC 转换，ADC 会持续不断地对指定通道进行转换，转换完一个数据后立即开始下一次转换，无需再次触发。只有当手动停止 ADC 或者发生复位等操作时，转换才会停止。
代码示例（基于 HAL 库）：

// 配置ADC为连续转换模式
ADC_HandleTypeDef hadc;
hadc.Instance = ADC1;
hadc.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
HAL_ADC_Init(&hadc);// 启动连续转换
HAL_ADC_Start(&hadc);
while(1) {if(HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc), HAL_ADC_STATE_REG_EOC)) {uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc);}
}

适用场景：常用于需要实时监测模拟信号变化的场景，如实时监测环境温度、压力等变化缓慢的物理量，或者音频信号采集等对采样频率要求较高的场景。

3. 扫描模式（Scan mode）

工作原理：当启用扫描模式时，ADC 会按照预先配置的通道序列，依次对多个通道进行转换。在转换过程中，可以选择是否开启连续转换模式。如果开启连续转换，ADC 会循环扫描所有配置的通道；如果是单次扫描，则只扫描一次通道序列。
代码示例（基于 HAL 库）：

// 配置ADC为扫描模式并选择多个通道
ADC_HandleTypeDef hadc;
hadc.Instance = ADC1;
hadc.Init.ScanConvMode = ENABLE;
HAL_ADC_Init(&hadc);ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_2;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);// 启动转换
HAL_ADC_Start(&hadc);
while(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100)!= HAL_OK);
uint16_t adc_value_0 = HAL_ADC_GetValue(&hadc);
// 读取下一个通道的值需要重新触发转换（非连续模式下）或等待下次扫描（连续模式下）

适用场景：适用于需要同时采集多个模拟信号的场景，如在工业控制系统中，同时监测多个传感器（温度、压力、液位等）的数据，或者在多通道音频采集系统中。

4. 间断模式（Discontinuous conversion mode）

工作原理：间断模式是对扫描模式的一种补充。可以将通道序列分成若干组，每次触发只转换一组通道，转换完一组后停止，等待下一次触发再转换下一组。这样可以在不需要连续扫描所有通道的情况下，灵活地对部分通道进行采样。
代码示例（基于 HAL 库）：

// 配置ADC为间断模式
ADC_HandleTypeDef hadc;
hadc.Instance = ADC1;
hadc.Init.DiscontinuousConvMode = ENABLE;
hadc.Init.NbrOfDiscConversion = 2; // 分2组
HAL_ADC_Init(&hadc);// 配置通道组
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_2;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);// 触发转换
HAL_ADC_Start(&hadc);
while(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100)!= HAL_OK);
uint16_t adc_value_0 = HAL_ADC_GetValue(&hadc);
// 触发下一组转换
HAL_ADC_Start(&hadc);
while(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100)!= HAL_OK);
uint16_t adc_value_1 = HAL_ADC_GetValue(&hadc);

适用场景：适用于对不同通道有不同采样频率要求的场景，或者在资源有限的情况下，不需要频繁扫描所有通道，而是按需分组扫描。

五.触发控制

1.触发规则图

2.软件触发

原理：通过在程序中执行特定的代码指令，向 ADC 的相关寄存器写入启动转换的命令，从而触发 ADC 开始转换。在 HAL 库中，使用HAL_ADC_Start() 或 HAL_ADC_Start_IT() 函数（后者用于开启中断方式的转换）来实现软件触发；在标准库中，一般是通过操作 ADC 的控制寄存器（如 ADC_CR2 寄存器的 SWSTART 位）来触发转换。
示例代码（HAL 库）：

ADC_HandleTypeDef hadc;
// 初始化ADC相关配置...// 软件触发ADC转换
HAL_ADC_Start(&hadc);
while(HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, 100)!= HAL_OK);  // 等待转换完成，超时时间100ms
uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc);  // 获取转换结果

特点与应用场景：
- 灵活性高：可以在程序的任意位置，根据逻辑需要随时触发 ADC 转换，例如在检测到某个特定条件满足时（如按键按下），才触发 ADC 对传感器数据进行采集。
- 存在软件延迟：由于触发信号的产生依赖于 CPU 执行代码，而 CPU 可能正忙于处理其他任务，导致触发时刻存在不确定性，因此不适用于对转换时间精度要求极高的场景。它比较适合对采样实时性要求不高、按需采样的应用，如一些简单的工业控制参数监测、用户手动触发的数据采集等。

3.硬件触发

原理：利用 STM32 内部的其他外设（如定时器、外部中断线等）产生的信号来触发 ADC 转换。当指定的硬件外设产生特定事件（如定时器更新事件、外部引脚的上升沿或下降沿）时，会自动向 ADC 发送触发信号，启动转换。在 HAL 库中，需要先配置相关硬件外设（如定时器），然后通过 ADC 的初始化结构体 ADC_HandleTypeDef 中的 ExternalTrigConv 成员来指定触发源。
示例代码（以定时器触发为例，HAL 库）：

ADC_HandleTypeDef hadc;
TIM_HandleTypeDef htim;// ADC初始化配置
hadc.Instance = ADC1;
hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T1_CC1;  // 选择TIM1的CC1事件作为触发源
HAL_ADC_Init(&hadc);// 定时器初始化配置
htim.Instance = TIM1;
htim.Init.Prescaler = 71;  // 预分频器，72MHz / (71 + 1) = 1MHz
htim.Init.Period = 999;    // 定时周期，1ms
HAL_TIM_Base_Init(&htim);// 使能定时器更新事件触发
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim, TIM_IT_UPDATE);
HAL_TIM_Base_Start(&htim);// 启动ADC
HAL_ADC_Start(&hadc);

特点与应用场景：
- 高精度定时触发：硬件触发信号由专门的硬件外设产生，不受 CPU 任务调度的影响，触发时间的精度主要取决于硬件时钟的精度，因此可以实现非常精确的定时采样。例如，在音频信号采集应用中，需要按照固定的采样频率对音频进行采样，就可以使用定时器触发 ADC 来实现精确的周期性转换。
- 多外设联动：能够方便地实现多个外设之间的协同工作，构建复杂的系统功能。比如，在工业自动化控制系统中，通过定时器定时触发 ADC 采集传感器数据，同时配合 DMA（直接内存访问）将采集到的数据快速传输到内存中，整个过程无需 CPU 过多干预，大大提高了系统的运行效率。

六.校准

1.校准原因

制造工艺差异：在 ADC 芯片制造过程中，由于工艺的局限性，不同芯片的模拟电路参数（如放大器增益、比较器阈值等）会存在一定的偏差，这些偏差会导致转换结果与实际值之间存在误差。
环境因素影响：工作环境中的温度、电源电压波动等因素，也会对 ADC 的性能产生影响，使得转换精度下降。通过校准，可以在一定程度上补偿这些因素带来的误差，使 ADC 的转换结果更加接近真实值。

2.校准类型

零点校准：主要用于修正 ADC 在输入模拟信号为零（或接近零）时的偏差，确保转换结果在零点附近的准确性。
满量程校准：用于调整 ADC 在输入满量程模拟信号时的转换精度，使转换结果能够准确反映满量程的实际值。

3.校准步骤

使能 ADC 并等待稳定：在进行校准前，需要先使能 ADC，让其进入工作状态，并等待一段时间，确保 ADC 内部电路达到稳定状态。
复位校准寄存器：通过操作 ADC 的相关寄存器，复位校准电路，清除之前可能存在的校准数据。
等待复位校准完成：复位校准寄存器后，需要等待复位操作完成，这可以通过查询相关的状态标志位来判断。
启动校准：复位校准完成后，启动 ADC 的校准过程，ADC 内部会自动进行一系列的校准操作，例如对内部参考电压、放大器增益等参数进行调整。
等待校准完成：在校准过程中，持续查询校准状态标志位，当标志位表明校准完成后，才可以进行正常的 ADC 转换操作。

七.电位器测电压adc单通道

1.接线图

2.代码

1.AD.h

#ifndef __AD_H
#define __AD_Hvoid AD_Init(void);
uint16_t AD_GetValue(void);#endif

2.AD.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header/*** 函    数：AD初始化* 参    数：无* 返 回 值：无*/
void AD_Init(void)
{/*时钟使能：STM32 外设需先开启时钟才能工作。开启 ADC1 的时钟（ADC1 挂载在 APB2 总线上）。开启 GPIOA 的时钟（PA0 作为 ADC 输入引脚，需配置其模式）。*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);	//开启ADC1的时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟/*ADC 时钟配置：ADC 的时钟（ADCCLK）来自 APB2 总线时钟（PCLK2，默认 72MHz）。STM32F10x 的 ADC 最大时钟为 14MHz，此处 6 分频后得到 12MHz（72/6），符合规格。*/RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);						/*GPIO初始化*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN; //ADC 通道需连接到 “模拟输入模式” 的 GPIO 引脚（PA0 对应 ADC1 的通道 0）GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);					//将PA0引脚初始化为模拟输入/*配置规则通道：ADC 转换通道分为 “规则组”（常规转换）和 “注入组”（中断优先级转换），此处配置规则组：ADC1：操作的 ADC 外设。ADC_Channel_0：选择通道 0（对应 PA0）。1：通道在转换序列中的排名（序列 1，即第一个转换）。ADC_SampleTime_55Cycles5：采样时间为 55.5 个 ADC 时钟周期（采样时间越长，抗噪声能力越强，转换速度越慢）*/ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);		/*ADC初始化*/ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;						//定义结构体变量ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;		//模式，选择独立模式，即单独使用ADC1ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;	//数据对齐，选择右对齐ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;	//外部触发，使用软件触发，不需要外部触发ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;		//连续转换，失能，每转换一次规则组序列后停止ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;			//扫描模式，失能，只转换规则组的序列1这一个位置ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;					//通道数，为1，仅在扫描模式下，才需要指定大于1的数，在非扫描模式下，只能是1ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);						//将结构体变量交给ADC_Init，配置ADC1/*ADC使能*/ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);									//使能ADC1，ADC开始运行/*ADC校准*/ADC_ResetCalibration(ADC1);								//固定流程，内部有电路会自动执行校准while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);ADC_StartCalibration(ADC1);while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}/*** 函    数：获取AD转换的值* 参    数：无* 返 回 值：AD转换的值，范围：0~4095*/
uint16_t AD_GetValue(void)
{ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);					//软件触发AD转换一次while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);	//等待EOC标志位，即等待AD转换结束return ADC_GetConversionValue(ADC1);					//读数据寄存器，得到AD转换的结果
}

3.main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"uint16_t ADValue;			//定义AD值变量
float Voltage;				//定义电压变量int main(void)
{/*模块初始化*/OLED_Init();			//OLED初始化AD_Init();				//AD初始化/*显示静态字符串*/OLED_ShowString(1, 1, "ADValue:");OLED_ShowString(2, 1, "Voltage:0.00V");while (1){ADValue = AD_GetValue();					//获取AD转换的值Voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3;		//将AD值线性变换到0~3.3的范围，表示电压OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4);				//显示AD值OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1);				//显示电压值的整数部分OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100, 2);	//显示电压值的小数部分Delay_ms(100);			//延时100ms，手动增加一些转换的间隔时间}
}

3.程序现象

左转减小，右转增大

八.adc多通道