STM32的ADC模式及其应用

STM32的ADC模式及其应用

STM32的ADC有几种模式，用于高级转换过程，以便在电机控制等应用中获得有效的转换结果。在这个过程中DMA是一个很重要的IP，尽可能的满足的条件下优先使用它，它可以释放CPU且避免数据的丢失。

1 独立模式

1.1 单通道，单转换模式

这是最简单的ADC模式，在这种模式下，ADC执行单个通道的单次转换（单采样），在转换完成后停止。

1.2 多通道（扫描），单转换模式

该模式用于在独立模式下连续转换一些通道，使用ADC序列器，可以使得该模式下ADC最多可以配置16个ADC通道序列，依次具有不同的采样时间和顺序，如下图所示的序列，这样的话就不必在转换过程中停止ADC，以便用不同的采样时间重新配置下一条通道。该模式能减轻CPU的负荷以及软件开发的繁琐。

1.3 单通道，连续转换模式

单通道连续转换模式在常规通道转换中连续无限的单通道转换。连续模式功能允许ADC在后台工作，ADC在没有CPU干预的情况下连续转换通道，此外DMA可以在循环模式下使用，从而减少CPU负载。

Note：在固件中有示例，使用DMA和中断两种方法，通过注释或取消注释#define USE_DMA_Transfer即可

1.4 多通道（扫描）,连续转换模式

该模式可以用于转换一些通道连续和独立模式的ADC，使用序列器最多可以配置16个通道，依次具有不同的采样时间和不同的顺序，该模式类似于多通道、单转换模式，只是它在序列的最后一个通道之后不停止转换，而是从第一个通道重新启动转换序列并循环往复。

1.5 注入转换模式

该模式用于外部事件或软件触发转换时使用，注入转换通道组比常规转换通道组的优先级高，可以中断常规通道组当前通道的转换。

Note：该模式在固件中有示例

2 Dual模式

Dual模式可用于具有两个ADC的STM32控制器，ADC1为主控制器，ADC2为从控制器。ADC1和ADC2触发器在内部同步，用于常规通道和注入通道转换，实现ADC1和ADC2协同工作。在一些设备中有3个ADC（ADC1、ADC2、ADC3），在这种情况下，ADC3总是独立工作，不与其他ADC同步。

Note：不能在两个ADC上使用相同的通道，会引起转换误差。

2.1 双常规同步模式

双常规同步ADC模式是由ADC1和ADC2同步，能够同时进行两次转换，每个ADC转换一个通道序列（启用扫描并配置每个ADC的序列器）或转换单个通道（禁用扫描）。转换可以通过外部触发或者外部触发，在该模式下，ADC1和ADC2的转换结果会存储在ADC1的数据寄存器中（32bit），如下图显示了ADC1和ADC2如何同时转换两个序列，ADC1将16个通道序列依次配置成为通道15到通道0，ADC2将16个通道序列依次配置成通道0到通道15。

Note：在H7的ADC例程里有

Example：双常规同步模式可用于需要同时采样和转换两个信号的应用，如：测量和绘制单相或三相瞬时功率$P_n(t)=U_n(t)\times I_n(t)$，在该情况下，同时测量电压和电流，再计算瞬时功率，如下图所示，使用两个adc在双常规同步模式下测量率。

测量单相功率：ADC1和ADC2使用两个通道（一个用于电压，一个用于电流）

测量三相功率：ADC1和ADC2使用6个通道（3个用于电压，3个用于电流）

2.2 双快速交错模式

双快速交错ADC模式用于一个通道的转换，ADC1和ADC2以7个ADC时钟周期交替转换所选通道，这意味着每7个时钟周期转换1次，每个ADC每14个ADC时钟周期转换通道，若使用14MHzADC时钟，可以达到每秒2M次采样：$14MHz/7=2Msamples/s$（采样频率），转换可以通过外部触发或软件触发，ADC1和ADC2的转换结果存储在ADC1的数据寄存器（32bit）。最大允许采样时间为7个ADC时钟周期，避免ADC1和ADC2在转换同一通道时采样相位重叠，这意味着允许的采样时间是1.5个ADC时钟周期。

Note：应该使用DMA处理，比中断处理更好避免数据丢失。

该模式用于在采样时间为1.5个ADC时钟周期，采样速率为2Msamples/s时加快ADC的采样速率。ADC1和ADC2交替转换同一通道，较少转换时间，当ADC1采样通道CHx时，ADC2转换前一个样本。

Example：如果要转换的信号的最大频率为800KHz，则采样速率应该要大于等于要转换的信号频率的两倍（奈奎斯特定理）。由于一个ADC的最大采样速率为1Msamples/s，因此不满足标准，采用双快速交错ADC模式即可解决该问题。这样，由于两个ADC（ADC1和ADC2）交替工作以等周期（7个ADC周期）采样信号，采样速率变为2Msamples。采用爽快速交错ADC模式，可在1.5个采样周期内实现2Msamples/s的采样速率。

2.3 双慢交错模式

双慢交错ADC模式用于一个通道的转换。ADC1和ADC2以14个ADC时钟周期交替转换所选通道，因此，通道每14个时钟周期转换一次。每个ADC每28个ADC时钟周期转换通道。转换可以通过外部触发或软件触发，ADC1和ADC2的转换结果存储在ADC1的数据寄存器中（32bit）。最大允许采样时间为14ADC时钟周期，以避免与下一次转换有重叠，这意味着唯一允许的采样时间是1.5、7.5、13.5个ADC时钟周期。此模式下不应使用连续转换，因为ADC会自动连续转换所选的常规通道（CONT位不应在此模式下设置）。

Note：应该使用DMA处理，比中断处理更好避免数据丢失。

_Example：_假设要转换的信号的最大频率$f_{in}$为500KHz，阻抗RAIN=10KΩ。最小采样速率为1Msamples/s，对于一个ADC，唯一的配置是$f_{ADC}$=140MHz，采样时间Ts=1.5周期（$T_s=t_s\times f_{ADC}$）

_Solution：_在双慢模式下使用ADC，每个ADC采样应配置为最小采样率即500Ksamples/s，$f_{ADC}=14MHz$
$$T_{TotalRate}=T_s+T_{conv}=t_{TotalRate}\times f_{ADC}=\frac{f_{ADC}}{F_{sRate}}$$
其中：

$T_{TotalRate}$是ADC手中周期总的转换时间；

$t_{TotalRate}$是采样时间$ts$($t_s=\frac{t_s}{f_{ADC}}$)和转换时间$t_{conv}$($t_{conv}=\frac{T_{conv}}{f_{ADC}}$)之和；

$T_{conv}$是一个常数，等于12.5个ADC周期。

$T_S$是ADC周期给出的采样时间，等于：
$$T_s=\frac{f_{ADC}}{F_{sRate}}-12.5=\frac{14\times 10^6}{500\times 10^3}-12.5=15.5cycle$$
其中$F_{sRate}$为被采样的采样频率

由于$T_s=15.5cycle$，不可用于配置，最接近的可用之是13.5，要知道这个值是否满足奈奎斯特定理，需要计算$T_s=13.5，f_{ADC}=14MHz$的采样速率。
$$\begin{gathered} T_{TotalRate}=13.5+12.5=26cycles \\ {F}_{sRate}=\frac{f_{ADC}}{T_{TotalRate}}=\frac{14\times 10^6}{26}=538KHz \end{gathered}$$
由于转换是由两个ADC（ADC1+ADC2）交替工作，因此采样频率为$F_{sRate}=538\times 2=1076KHz>2\times f_{in}$因此满足奈奎斯特定理

当$T_s=13.5cycles$，源允许的最大阻抗(RAIN)为19KΩ，由于源的阻抗RAIN=10KΩ<19KΩ，因此满足阻抗条件。单ADC且Ts=1.5cycles（对应1.2KΩ）时，不满足阻抗条件。通过使用两个ADC，将1.2KΩ改变到19KΩ。采用双慢交错ADC模式可以在更高的输入阻抗下实现每秒1Msamples/s。

2.4 双交替触发模式

双交替触发ADC模式只能在注入通道组上使用，在这种模式下，ADC1和ADC2交替转换同一外部触发器上的注入通道。当第一个触发器发生时，ADC1中所有注入通道都被转换。当第二个触发器发生时，ADC2中所有注入组都被转换，以此类推。每个ADC组内最大的注入通道数为4个。

_Example：_双交替触发模式使得采样点尽可能靠近彼此（低至1.5ADC周期）成为肯呢个。在电机控制应用中，单分流传感器用于三相电流读取，在某些情况下，功率级的PWM占空比必须受到限制，以保持两个连续转换的最小时隙。如果采样点尽可能接近，则PWM占空比最大化，从而增加是加到电机的电压。

2.5 双组合常规/注入同步模式

双组合常规/注入同步ADC模式是一种允许注入的常规同步模式。注入的通道也被同事转换。在这种模式下，应该转换相同长度的序列，或者确保触发器之间的间隔大于两个序列中最长的一个，否则，具有最短序列的ADC可能重新启动，而且具有最长序列的ADC正在完成直线的转换。

_Example：_双组合常规/注入同步模式可用于在特定时间读取三相电流。这个模式可以当读取两相电流，通过外推来确定第三相的电流，因为这三相电流之间有关系。

2.6 双组合：同时注入+交错模式

该模式是双交错模式（快或慢）和双注入同步模式的结合。当触发常规通道时，开始双交错转换，ADC2进行第一次转换，然后ADC1转换通道，以此类推。当注入通道被触发时，中断交错通道转换，两个ADC（ADC1和ADC2）开始转换注入通道组，当两个ADC完成注入转换后，它们恢复配置为交错模式的通道转换。

可在UPS（不间断电源）系统中使用该模式。电池电压由ADC看门狗以双交错模式转换监测，ADC还通过测量双注入同步模式下的电压和电流来监测负载消耗的功率。

交错模式的通道转换。

[外链图片转存中…(img-NA5KLIfW-1706016700645)]

可在UPS（不间断电源）系统中使用该模式。电池电压由ADC看门狗以双交错模式转换监测，ADC还通过测量双注入同步模式下的电压和电流来监测负载消耗的功率。