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STM32-ADC模数转换器（7）

news 来源：原创 2025/8/1 20:55:27

对GPIO来说，它只能读取引脚的高低电平，使用了ADC模数转化器之后，就可以对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，就能得到引脚输入的具体电压是多少了。

ADC模数转化器就相当于一个电压表，把引脚的电压值测出来，放入一个变量中，这就是ADC的作用。

一、ADC简介

模拟-数字转换器简称ADC（Analog-Digital Converter），它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。

数字-模拟转换器简称DAC，可以将数字变量转化成模拟电压，主要应用于波形生成（信号发生器、音频解码芯片）等。
PWM的功能与DAC相似，它只有完全导通和完全断开两种状态，在这两种状态上都没有功率损耗，所以在直流电机调速这种大功率的应用场景，使用PWM来等效模拟量，是比DAC更好的选择，且PWM电路更简单，而且更常用。

STM32中的ADC是12位逐次逼近型ADC，1us转换时间。

ADC还有两个关键参数，分别是分辨率和转换时间（转换频率）。
分辨率就是用多少位来表示，这里12位，分辨率的表示范围就是0~2^(12-1)，即量化结果的范围是0~4095，位数越高，量化结果越精细，对应分辨率就越高。
AD转换是需要一小段时间的，这里1us表示从AD转换开始到产生结果，需要花费1us的时间，对应AD的转换频率是1MHz，这个就是STM32的最快转换频率。

输入电压范围：0~3.3V，转换结果范围：0~4095
输入电压一般要求是在芯片供电的正极和负极之间变化，输入0-3.3V，经过AD转换后，就得到最小值0，最大值4095，中间也都是一一对应的线性关系。

ADC模数转换器共有16个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源。
16个外部信号源就是16个GPIO口，在引脚上直接接模拟信号就可以，不需要任何额外的电路，引脚就可以测量电压值。
两个内部信号源分别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，内部参考电压是一个1.2V左右的基准电压，这个基准电压不会随外部供电变化而变化，如果芯片的供电不是标准的3.3V，测量外部引脚的电压就会错误，这时就可以读取基准电压进行校准，就能得到正确的电压值了。

STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道，两个内部信号源温度传感器和内部参考电压都在ADC1上。
ADC12_IN0的意思是ADC1和ADC2的IN0都在PA0引脚上。

二、逐次逼近型ADC

输入部分：给地址锁存和译码一个通道的地址，就能让通道选择开关，选择其中一个通道打开。

比较部分：通过电压比较器，它可以判断两个输入信号电压的大小关系，输出一个高低电平，指示电压谁大谁小。它的两个输入端，一个是外部通道输入未知编码的电压，一个是DAC输出已知编码的电压，它俩同时输入到比较器，进行大小判断。如果DAC输出的电压比较大，就调小DAC数据；如果DAC输出电压比较小，就调大DAC数据，直到DAC输出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，这个电压调节的过程就是逐次逼近寄存器SAR来完成的。

为了最快找到未知电压的编码，通常是采用二分法来进行查找，比如8位的ADC，那编码就是0~255，第一次输入时，就给255的一半128进行比较，如果DAC大了，第二次比较就给128的一半64进行比较，以此类推。这些比较数据正好是二进制的每一位位权，这个判断过程就相当于是从高位到低位依次判断是1还是0的过程。

三、ADC基本结构图

左边是输入通道，包括16个GPIO外部输入通道和两个内部通道。

进入AD转换器后，里面有两个组，分别是规则组和注入组，规则组最多可以同时选中16个通道进行比较，但是只能转换输出其中一个通道内的数据，因此规则组可以配合DMA数据转运来使用，DMA可以转运选中的其他多个通道内的数据，防止数据被覆盖。
注入组最多可以同时选择4个通道进行比较，也能同时输出4个通道内的数据到AD数据寄存器。

触发控制提供开始转换信号，它有软件触发（调用函数）和硬件触发（定时器和外部中断）。

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。

规则组和注入组转换完成后，会有一个EOC信号，它会置一个标志位，最终也可以向NVIC申请中断。

最后右下角还有一个开关控制，在库函数中就是ADC_Cmd函数，用于给ADC上电。

AD初始化步骤：
（1）开启RCC时钟，包括ADC和GPIO；
（2）ADC的时钟，ADCCLK需要配置一下；
（3）配置GPIO，改成输入模式；
（4）配置多路开关，把左边通道接入到右边的规则组列表中；
（5）配置ADC转换器；
（6）调用ADC_Cmd函数，开启ADC；
（7）对ADC进行校准，来减少误差。

四、规则组的四种转换模式

1、单次转换，非扫描模式

上图列表就是规则组里能选中的通道，在非扫描模式下，这个列表只有第一个序列1的位置有效，规则组同时选中一组（16个通道）就退化为简单地选中一个地方式了，序列1的位置可以指定想要转换的通道，触发后，ADC就会对这个通道2进行模数转换，过一小段时间后，转换结果就会放在数据寄存器中，同时给EOC标志位置1。如果需要再转换，就得再次触发ADC进行模数转换。

2、连续转换，非扫描模式

它与上一种方式的不同之处在于，在一次转换结束之后，它的转换不会停止，而是立刻开始下一轮的转换，一直持续下去。

3、单次转换，扫描模式

这里也是单次转换，因此再每次转换后，都会停下来，需要触发才能开始。
这个扫描模式可以同时选择多个通道，通道数量也是可以指定的，触发之后，它就会依照序列号，依次对通道进行AD转换，转换结果都放在数据寄存器了，为了防止数据被覆盖，需要用DMA及时将数据挪走。7个通道转换完成后，才会产生EOC标志位置1，转换结束。然后需要转换，得再次触发ADC进行模数转换。

4、连续转换，扫描模式

这个模式功能跟上个模式一致，就是触发一次就会自动一直触发，会一直连续转换。

在扫描模式得情况下，还有一种模式，叫间断模式，它的作用是在扫描过程中，每隔几个转换，就暂停一次，需要再次触发，才能继续。

ADC1和ADC2的外部触发方式，其中包括定时器触发、外部引脚触发和软件触发，选择哪种触发方式，通过控制最右边寄存器可以选择对应方式。

五、转换时间

AD转换的步骤包括采样保持、量化编码两步。

采样保持：在量化编码前，需要设置一个采样开关，打开采样开关，收集外部电压，比如可以用一个小容量的电容存储这个电压，存储好了以后，断开采样开关，再进行后面的量化编码，这样在量化编码期间，电压就能够始终保持不变，这样才能精确地定位未知电压的位置；
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。

量化编码：是ADC逐次比较（AD模数转换）的过程，这个需要花一段时间，位数越多，花费的时间就越长。

STM32 ADC的总转换时间为：T_CONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期
采样时间就是采样保持花费的时间，采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰，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，ADC是12位的，因此需要花费12个周期，这里0.5个周期是一些其他事情花费的时间。

例如：当ADCCLK=14MHz，采样时间为1.5个ADC周期。T_CONV = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期
ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK，ADCCLK最大为14MHz。
转换时间= N个ADC周期/ADCCLK = 14/14MHz = 1us

一、ADC简介

二、逐次逼近型ADC

三、ADC基本结构图

四、规则组的四种转换模式

五、转换时间

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