江协科技STM32学习笔记（第06章 ADC模数转换器)

第06章 ADC模数转换器

6.1 ADC模数转换器

STM32的ADC是12位的，所以AD结果最大值是4095，也就是2^12-1。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是多少了。

6.1.1 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；

反过来DAC就是就数模转换器。

12位逐次逼近型ADC，1us转换时间；

从AD转换开始到产生结果，需要花1us的时间，对应AD转换的频率就是1MHz

输入电压范围：0~3.3V，转换结果范围：0~4095；

ADC的输入电压，一般都是要求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，经过ADC转换之后，最小值就是0，最大值是4095，0V对应0，3.3V对应4095，中间都是一一对应的线性关系。

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，在引脚上直接模拟信号就行了，不需要任何额外的电路，引脚就能直接测电压；2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，这个基准电压是不随外部供电电压变化而变化的，所以如果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。

规则组和注入组两个转换单元；

这个就是STM32ADC的增强功能了，普通的AD转换流程是，启动一次转换，读一次值，然后再启动，再读值这样的流程，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。

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，就可以在中断函数里执行相应的操作，这样就不用不断地手动读值，再用if进行判断了。

STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道。

也就是最多只能测量10个外设引脚的模拟信号。上面所说的16个外部信号源，这是这个系列最多有16个外部信号源。但是我们这个系列引脚比较少，有很多引脚没有引出来，，所以只有10个外部信号源。如果想要更多的外部通道，可以选择引脚更多的型号，具体有多少个通道，就要参考数据手册了。

6.1.2 逐次逼近型ADC

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继承了ADC外设，这样就不用外挂芯片了，引脚可以直接测电压。

这个结构左边是IN0~IN7，是8路输入通道，通过通道选择开关，选择一路，输出后进行转换。下面是地址锁存器和译码，就是想选择哪一路，就把通道号放在这三个引脚上，然后给一个锁存信号，上面对应的通路开关就可以自动拨好了。上面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，给一个开始信号，过一个几us就转换完成了，所以说如果想转换多路信号，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，先拨一下开关，选中对应通道，然后再开始转换就行了。这就是输入通道选则的部分。这个ADC0809只有8个输入通道，STM32内部有18个输入通道，所以对应这里就是一个18路输入的多路开关。输入通道选好后，怎么知道对应的数据是多少呢，就需要用逐次逼近的方法来一一比较了。首先是一个电压比较器，它可以判断两个输入信号电压的大小关系，输出一个高电平只是谁大谁小，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。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，它两1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，就调小DAC输出的数据，如果DAC输出的数据比较小，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。这个电压调节的过程就是这个逐次逼近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来进行寻找。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，那第二次比较的时候吗，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，那就给32到64中间的值，依次进行下去，就能最快找到未知电压的编码。并且这个过程，如果用二进制来表示的话，就会发现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，从高位到地位依次判断8次就能找到未知电压的编码了。对于12位ADC，就需要依次判断12次，这就是逐次逼近的过程。然后，ADC转换结束后，DAC的输入数据，就是未知电压的编码，往右走进行输出，8位就有8根线，12位就有12根线。EOC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，比如给一个数据255，对应5V还是3.3V，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输入电压的范围和ADC的供电是一样的。

6.1.3 STM32ADC框图

左边是ADC的输入通道，包括16个GPIO口，IN0~IN15 ，和两个内部二点通道，一个是内部温度传感器，另一个是VREFINT（V Reference Internal），内部参考电压，总共是18个输入通道，然后到达模拟多路开关，可以指定我们想要选则的通道，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刚刚上面讲的逐次比较的过程。转换结果会直接放在数据寄存器里，我们读取寄存器就能直到ADC转换的结果了。对于普通的ADC，多路开关一般是只选中1个的，就是选中某个通道、开始转换、等待转换完成、取出结果、这是普通的流程。但是STM32上就比较高级了，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择中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：就像是去餐厅点菜、普通的ADC是，指定一个菜，老板做完后送给自己，这里就是，指定一个菜单，这个菜单最多可以填16个菜，老板按照菜单的顺序依次做好，一次性端上来，这样就大大提高效率，当然，菜单也可以只写一个菜，就简化成普通的模式了。对于这个菜单也有两种，1种是规则组，可以同时上16个菜，但是有个尴尬的地方，就是规则组只有一个数据寄存器，就是这个桌子比较小，只能放一个菜，如果上16个菜，前15个菜就会被挤掉。所以对于规则组来说，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，把这个菜挪到其它地方去，防止被覆盖。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，那就转换完成之后，要尽快把结果拿走。注入组，这个组就比较高级，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，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。

模数转换器外围电路：左下角是触发转换的部分，也就是ADC0809的START。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，就是再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，就是左下角的触发源。上面是注入组的触发源，下面是规则组的触发源，这些触发源主要是来自定时器，有定时器的各个通道，还有TRGO定时器主模式的输出。之前讲定时器的时候也介绍过，定时器可以通过ADC、DAC这些外设，用于触发转换。那因为ADC经常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1次中断，在中断里手动开始一次转换，这样也是可以的。但是频繁进中断对程序是有一定影响的，比如有很多中断都需要频繁进入，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定一个1ms的时间，并且把TIM3的更新事件选择位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。

左上角是VREF+、VREF-、VDDA和VSSA，上面两个是ADC的参考电压，决定了ADC输入电压的范围，下面两个是ADC的供电引脚，一般情况下，VREF+要接VDDA、VREF-要接VSSA，在这款芯片上，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在引脚定义里就可以看到。VDDA和VSSA是内部模拟部分的电源，比如ADC、RC振荡器、锁相环等等，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ADCCLK是ADC的时钟，也就是ADC0809上的CLOCK，是用于驱动内部逐次比较的时钟。这个是来自ADC预分频器，这个ADC预分频器是来源于RCC的。如下图（RCC时钟树框图）所示：APB272MHz通过预分频器进行分频，得到ADCCLK，ADCCLK最大是14MHz，所以这个预分频器就有点尴尬，它可以选择2、4、6、8分频，如果选择2分频，72M/2=36M，超出允许范围了；4分频之后是18M，也超了；所以对于ADC预分频器，只能选择6分频，结果是12M和8分频、结果是9M，这两个值。

DMA请求是用于触发DMA进行数据转运的。 

两个数据寄存器是用于存放转换结果的，上面还有一个模拟看门狗，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了，它就会乱叫，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，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。

6.1.4 ADC基本结构图

 左边是输入通道，16个GPIO口、外加两个内部的通道；然后进入AD转换器、AD转换器里有两个组、一个是规则组、一个是注入组。规则组最多可以选中16个通道、注入组最多可以选择4个通道，然后转换的结果可以存放在AD数据寄存器里，其中规则组只有一个数据寄存器，注入组有4个，下面有触发控制、提供了开始转换这个START信号，触发控制可以选择软件触发和硬件触发，硬件触发主要来自于定时器，当然也可以选择外部中断的引脚。右边是来自RCC的ADC时钟CLOCK，ADC逐次比较的过程就是由这个时钟推动的。然后上面可以布置一个模拟看门狗用于监测转换结果的范围，如果超出设定的阈值，就通过中断输出控制，向NVIC申请中断，另外、规则组和注入组转换完成后会有个EOC信号，它会置一个标志位，当然也可以通向NVIC。最后右下角还有一个开关控制，在库函数种，就是ADC_Cmd函数，用于给ADC上电的。

6.1.5 输入通道