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ADC数模转化器

news 2025/12/16 22:11:07

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

• 12 位逐次逼近型 ADC ， 1us 转换时间

（12位:分辨率，12位AD值，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）

（转换时间：即转换频率，即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（输入电压和转换结果一一对应，呈线性关系）

• 18 个输入通道，可测量 16 个外部和 2 个内部信号源

• 规则组和注入组两个转换单元

• 模拟看门狗自动监测输入电压范围

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

逐次逼近型ADC

首先这个ADC有八个输入引脚，通过通道选择开关可以选择IN中其中一个进行下一步，通道选择开关是靠地址锁存和译码控制的，把通道的编号输入ADDA，ADDB，ADDC，然后给一个锁存信号ALE，上面对应的通路开关就可以自动拨好了，相当于一个可以通过模拟信号的数据选择器；因此如果想要转换多路信号，只需要一个AD转换器，加一个多路选择开关，想转换哪路，就选中那个对应通道，然后再开始转换就行了。

接下来会把这个未知编码的电压输出到比较器中，DAC会输出一个已知编码的电压，将两者进行比较，如果未知大于已知，则会增大已知量，如果未知小于已知，则会减小已知量，直到二者近似相等，这样以来，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这个逐词逼近SAR来完成的。

为了快速找到这个值，我们会使用二分法来寻找，并且这个过程如果使用二进制来表示的话，会发现128、64、32这些值都是二进制每一位的位权，这个判断过程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。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，则需要判断12次。

然后DAC的输入数据就是未知电压的编码，然后通过D0等口进行输出；

EOC（End of Convent）：转换结束信号；

START：开始转换，给一个输入脉冲，开始转换；

CLOCK：ADC时钟，每一步都需要时钟的推进

VREF+和VREF-是DAC的参考电压：写入一个数据255，对应5V还是3V由它们决定；

STM32的ADC

GPIO端口由16个通道，还分为两个通道，第一个是注入通道，第二个是规则通道；

注入通道：至多同时输入四个通道的数据，但是有四个注入通道数据寄存器，可以一次性把四个数据同时展示出来的

规则通道：至多可以同时输入十六个通道的数据，但是只有一个规则通道数据寄存器，会出现数据覆盖，只能把一个通道的数据展示出来；如果想展示多个数据，就需要搭配DMA转运数据。

开始触发（注入组合规则组都有）：触发ADC开始转换的信号有两种，一是软件触发，在程序中调用代码启动转换，二是硬件触发，即图中的开始触发（触发源），主要来自定时器；可以使用定时器中断来实现每过一定时间就触发一次ADC，但是频繁进入中断对程序的正常执行有影响；需要定时完成这种简单的任务的情况，一般都会有硬件的支持，比如这里，给TIM3定一个1ms的时间，把TIM3的更新事件选择为TRGO输出，在ADC这，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。

ADCCLK:即CLK时钟

在RCC时钟树中，ADCCLK最大14MHz，而我们如果选择二分频，即72/2=36，超出范围，而且选择4分频也是超出范围的，只能选择6和8分频。

ADC基本结构

还可以布置一个模拟看门狗用于监测转换结果的范围，如果超出所设定的阈值，就会通过中断输出控制，向NVIC申请中断；在AD转换器转换完成之后，还有个EOC信号，它会置一个标志位，然后通向NVIC申请中断。

输入通道

转换模式

单次转换、非扫描模式

简单的在序列1中指定我们想要转换的通道，然后就可以触发转换，ADC就会对这个通道进行模数转换，过段时间转换完成后，会把转换结果放在数据寄存器中，同时给EOC标志位置1，转换过程就结束了。我们判断这个EOC标志位，如果转换完了，就可以在数据器中读取结果了。

如果还想在启动转换，想要转换其他通道，则就需要把序列1中的通道更改为目标通道，再触发转换。

指定通道在序列1->触发转换->转换结束->给标志位EOC置1->读结果

多次转换，非扫描模式

相比单次转换，多次转换只用触发转换一次，ADC就会一直转换，不用判断结束和不用多次触发转换，想要读取AD值时，就直接从数据寄存器去就可以了。

单次转换，扫描模式

扫描模式下，可以利用多个序列，可以任意指定任意通道，流程依然是触发转换，然后按序列顺序开始给指定通道转换，直到转换完最后一个序列指定的通道，然后给EOC标志位置1。

连续转换，扫描模式

不想解释....

触发控制

数据对齐

ADC是12位的，但是数据寄存器却是16位的，所以就需要数据对齐；

这里我们常用数据右对齐

转换时间

•AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码

（采样保持：量化编码过程需要比较多的时间，在量化编码过程中，如果输入的电压发生变化，就很难定位输入电压对应的编码了，所以需要采样保持，在量化编码之前，需要打开采样开关，收集一下外部的电压，比如使用一个小容量的电容存储这个电压，存储好之后，断开采样开关，再进行AD转换，这样就实现了在量化编码过程中，电压始终保持不变）

•STM32 ADC的总转换时间为：

TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期

•例如：当ADCCLK=14MHz，采样时间为1.5个ADC周期

TCONV = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期 = 1μs

即最短转换时间为1us（因为ADCCLK最小为14MHz）

校准

• ADC 有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。校准期间，在每个电容器上都会计算出一个误差修正码 ( 数字值 ) ，这个码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差

• 建议在每次上电后执行一次校准

• 启动校准前， ADC 必须处于关电状态超过至少两个 ADC 时钟周期

硬件电路

图一电位器产生可调电压的电路：可给PA0产生一个0~3.3V的电压，电阻阻值不可太小，一般为10kΩ；

图二传感器输出电压的电路： N1（麦克风，热敏电阻等可变电阻）可以等效为一个可变电阻，其阻值没法直接测量，所以可以通过和一个固定电阻串联分压，来得到一个可以反映电阻值电压的电路；这个固定电阻一般选择和传感器阻值相近的电阻，这样可以得到一个位于中间电压区域比较好的输出；

图三简单的电压转换电路：比如我们想测一个0~5V的Vin电压，但是ADC只能接收最大为3.3V的电压，根据图中两个电阻的分压，可以得到PA2的电压范围就是0~3.3V，就可以进入ADC转换了。输入电压差太多不适合用这个电路。

代码实操

先介绍相关库函数

ADCCLK的配置函数

用于配置ADCCLK分频器的，可以对APB2的72MHz时钟选择2,、4、6、8分频，输入到ADCCLK

void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2);

ADC的库函数

老朋友

void ADC_DeInit(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_Init(ADC_TypeDef* ADCx, ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);
void ADC_StructInit(ADC_InitTypeDef* ADC_InitStruct);

开关控制

void ADC_Cmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

用于开启DMA输出信号

void ADC_DMACmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

中断输出控制

void ADC_ITConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT, FunctionalState NewState);

控制校准的函数（ADC初始化完成后，依次调用即可）

//复位校准
void ADC_ResetCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
//获取复位校准状态
FlagStatus ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
//开始校准
void ADC_StartCalibration(ADC_TypeDef* ADCx);
//获取开始校准状态
FlagStatus ADC_GetCalibrationStatus(ADC_TypeDef* ADCx);

用于软件触发的函数（即用软件控制触发控制）

void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

获取标志位状态（参数写EOC的标志位，判断EOC是否被置1，即转换是否结束）

FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);

有关间断的函数

//每隔几个通道间断一次？
void ADC_DiscModeChannelCountConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Number);
//是否开启间断
void ADC_DiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

ADC规则组通道配置（重要）（ADC号，需要指定的通道，序列几的位置，指定通道的采样的时间）

void ADC_RegularChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);

是否允许外部触发转换

void ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);

ADC获取转换值（重要）即获取AD转换的数据寄存器

uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx);

ADC获取双模式转换值（双ADC获取转换值的函数）

uint32_t ADC_GetDualModeConversionValue(void);

注入组的函数（不讲）

void ADC_AutoInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_InjectedDiscModeCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_ExternalTrigInjectedConvConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_ExternalTrigInjecConv);
void ADC_ExternalTrigInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
void ADC_SoftwareStartInjectedConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState);
FlagStatus ADC_GetSoftwareStartInjectedConvCmdStatus(ADC_TypeDef* ADCx);
void ADC_InjectedChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel, uint8_t Rank, uint8_t ADC_SampleTime);
void ADC_InjectedSequencerLengthConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t Length);
void ADC_SetInjectedOffset(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_InjectedChannel, uint16_t Offset);

模拟看门狗

//是否启用模拟看门狗
void ADC_AnalogWatchdogCmd(ADC_TypeDef* ADCx, uint32_t ADC_AnalogWatchdog);
//配置高低阈值
void ADC_AnalogWatchdogThresholdsConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t HighThreshold, uint16_t LowThreshold);
//配置看门的通道
void ADC_AnalogWatchdogSingleChannelConfig(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_Channel);

ADC温度传感器、内部参考电压控制

void ADC_TempSensorVrefintCmd(FunctionalState NewState);

标志位

//获取标志位状态
FlagStatus ADC_GetFlagStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
//清除标志位
void ADC_ClearFlag(ADC_TypeDef* ADCx, uint8_t ADC_FLAG);
//获取中断状态
ITStatus ADC_GetITStatus(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);
//清除中断挂起位
void ADC_ClearITPendingBit(ADC_TypeDef* ADCx, uint16_t ADC_IT);

如图所示步骤编写代码

1、开启GPIO和ADC的时钟，还有ADCCLK分频器

	//开启时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);//6分频RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

2、配置GPIO口，配置为模拟输入模式

	//配置GPIO口GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//AIN模拟输入//在AIN模式下GPIO口无效，即断开GPIO口//防止GPIO输入输出对模拟电压造成干扰(ACD专属模式)GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

3、配置多路开关，把左边的通道接入到右边的规则组列表中

	//选择规则组的输入通道//参数3：序号数//参数4：采样时间的参数，需要更快的转换，选择小点的参数//需要稳定的转换，则选择更大的参数ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

4、配置ADC转换器

	//初始化ADCADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;//ADC工作模式(独立模式)ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//数据对齐(右对齐)ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//外部触发转换选择(外部触发源选择)(None,内部软件触发)ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;//连续转换模式(ENABLE-连续模式 or DISABLE-非连续模式)ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//扫描模式(ENABLE-扫描模式 or DISABLE-非扫描模式)ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//通道数目(指定在扫描模式下指定用到几个通道0~16)//在非扫描模式下，填任何数值都没用ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

5、开关控制

	//开启ADC电源ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);

6、还可以对ADC进行校准，可以减小误差

	//校准//复位校准ADC_ResetCalibration(ADC1);

上列语句是执行复位校准，那应该如何判断复位校准完成了呢？

这个函数是一个返回值，那这个返回值和是否完成校准有什么关系呢？

	//获取复位校准状态	ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1);

查看其函数定义

可以看到其获取的就是CR2寄存器里的RSTCAL标志位

再查看手册查询相关寄存器内容

则可得

	while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);

则校准的总代码

	//校准//复位校准ADC_ResetCalibration(ADC1);//获取复位校准状态//标志位为1时，表示正在进行复位校准//标志位为0时，表示复位校准结束，则我们要保证复位校准成功//当复位校准未完成就一直循环等待其完成while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//开始校准ADC_StartCalibration(ADC1);//获取开始校准状态while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);

则初始化函数写好了

#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid AD_Init(void)
{//开启时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);//6分频RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);//配置GPIO口GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//AIN模拟输入//在AIN模式下GPIO口无效，即断开GPIO口//防止GPIO输入输出对模拟电压造成干扰(ACD专属模式)GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//选择规则组的输入通道//参数3：序号数//参数4：采样时间的参数，需要更快的转换，选择小点的参数//需要稳定的转换，则选择更大的参数ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);//初始化ADC(单次转换，非扫描模式)ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;//ADC工作模式(独立模式)ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//数据对齐(右对齐)ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//外部触发转换选择(外部触发源选择)(None,内部软件触发)ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;//连续转换模式(ENABLE-连续模式 or DISABLE-非连续模式)ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//扫描模式(ENABLE-扫描模式 or DISABLE-非扫描模式)ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//通道数目(指定在扫描模式下指定用到几个通道0~16)//在非扫描模式下，填任何数值都没用ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);//开启ADC电源ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);//校准//复位校准ADC_ResetCalibration(ADC1);//获取复位校准状态//标志位为1时，表示正在进行复位校准//标志位为0时，表示复位校准结束，则我们要保证复位校准成功//当复位校准未完成就一直循环等待其完成while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//开始校准ADC_StartCalibration(ADC1);//获取开始校准状态while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

获取结果函数

1、软件触发（启动）

	//软件触发(启动)ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);

2、等待转换完成（EOC置1）（等待）

	//获取EOC标志位状态(等待)//与之前的判断复位校准是否完成的操作一致//但是与校准有所不同(需要看寄存器描述)//0:转换未完成， 1:转换完成//在之前我们设置采样周期为55.5，转换周期是固定的12.5//加在一起就是68个周期，配置的ADCCLK是72MHz的6分频，即12MHz//12MHz进行68个周期转换才能完成，最终时间为1/12M*68=5.6μs//即while循环会等待5.6μswhile(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);

3、读取ADC数据寄存器（读取）

	//获取转换值(读取)return ADC_GetConversionValue(ADC1);

整体

//获取转换结果的函数
uint16_t AD_GetValue(void)
{//软件触发(启动)ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);//获取EOC标志位状态(等待)//与之前的判断复位校准是否完成的操作一致//但是与校准有所不同(需要看寄存器描述)//0:转换未完成， 1:转换完成//在之前我们设置采样周期为55.5，转换周期是固定的12.5//加在一起就是68个周期，配置的ADCCLK是72MHz的6分频，即12MHz//12MHz进行68个周期转换才能完成，最终时间为1/12M*68=5.6μs//即while循环会等待5.6μswhile(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);//获取转换值(读取)return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

在主函数中调用

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"uint16_t ADValue;int main(void)
{OLED_Init();AD_Init();OLED_ShowString(1,1,"ADValue");while(1){ADValue = AD_GetValue();OLED_ShowNum(1,9,ADValue,4);}
}

然后旋转电位器，可以发现向左拧ADValue增大，向右拧ADValue则减小。

改善

一、数据抖动

我们会发现数据末尾会发生抖动，这是正常现象，当我们想使用这个值进行判断，再执行某些操作，比如光线的AD值小于某阈值就开灯，大于某阈值就关灯，可能会出现假如值在阈值附近抖动，导致我们的操作不稳定（即LED亮灭不稳定），我们可以使用迟滞比较的方法来完成，设置两个阈值，低于下阈值时，开灯，高于上阈值时，关灯，这样就可以避免输出抖动的问题了（施密特触发器同一个原理）。

如果数据跳变来厉害，还可以采用滤波的方法使AD值更平滑点(均值滤波)；

或者裁减分辨率，把数据的尾数去掉。

二、显示电压

如之前所说，输入电压和转换结果一一对应，呈线性关系

我们可以利用这个线性关系，输出电压的值（不是完全准确的）

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"uint16_t ADValue;
float Voltage;int main(void)
{OLED_Init();AD_Init();OLED_ShowString(1,1,"ADValue:");OLED_ShowString(2,1,"Voltage:0.00V");while(1){ADValue = AD_GetValue();Voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3;OLED_ShowNum(1,9,ADValue,4);OLED_ShowNum(2,9,Voltage,1);OLED_ShowNum(2,11,(uint16_t)(Voltage*100)%100,2);Delay_ms(100);}
}

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