江科大/江协科技 STM32学习笔记P21

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ADC模数转换器

ADC简介

有ADC也有DAC数字模拟转换器，使用DAC可以将数字变量转化为模拟电压，与PWM相比较，PWM也有DAC的功能，同时PWM只有完全导通和完全断开两种状态，没有功率损耗，在直流电机调速这种大功率的应用场景使用PWM来等效模拟量比DAC更好。DAC的应用主要在波形生成，比如信号发生器、音频解码芯片等。
AD转换需要花一小段时间，1us表示从AD转换开始到产生结果需要1us，对应AD转换的频率就是1MHz，是STM32ADC的最快转换频率。
两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CPU温度，内部参考电压是1.2V左右的基准电压，不随外部供电电压变化而变化，如果芯片的供电不是标准3.3V，测量外部引脚的电压可能不对，这时可以读基准电压进行校准。
普通的AD转换流程是启动一次转换读一次值，再启动再读值，但STM32的ADC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，一个用于常规使用的规则组，一个用于突发事件的注入组。
ADC一般可以用于测量光线强度、温度这些值，并且经常有需求，如果高于某个阈值或低于某个阈值执行一些操作，判断高于或低于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，当高于或低于它设定的阈值时申请中断，就可以在中断函数里执行相应的操作，这样就不用不断手动读值再if判断了。

逐次逼近型ADC

地址锁存和译码的作用是，想选中哪一路就把通道号放在ADDA、ADDB、ADDC这三个脚上，然后给一个锁存信号，上面对应的通路开关就自动拨好了。
之后看电压比较器，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谁大谁小，两个输入端，一个是待测电压，另一个是DAC的电压输出端，DAC内部是使用加权电阻网络来实现的转换，当输入一个未知编码的电压，和一个DAC输出的已知编码的电压，两个同时输出到电压比较器进行大小判断，如果DAC输出的电压比较小，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。电压调节的过程就是逐次逼近SAR来完成的，通常用二分法进行寻找电压，比如这里八位DAC，编码0-255，第一次比较给255的一半128，如果DAC电压大了，第二次比较给128的一半64…，对于8位ADC，依次判断8次就能找到未知电压的编码，对于12位的ADC判断12次。这就是逐次逼近的过程。
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，需要时钟进行推动，VREF+和VREF-s是DAC的参考电压，DAC的参考电压也决定了ADC的输入范围，所以也是ADC参考电压

STM32的ADC

规则通道组最多选16个通道，但是规则通道取出结果时前15个数据会被覆盖掉，依次只能留一个数据，需要配合DMA进行数据转运。注入通道最多选4个通道，而且有四个数据寄存器，不用担心数据覆盖

左下角是触发转换的部分，也就是START信号开始转换。对于STM32的ADC，触发转换的信号有两种，一种是软件触发，在程序中手动调用一条代码启动转换，另一种是硬件触发，就是左下角这些触发源，主要来自于定时器，有定时器的各个通道还有TRGO定时器主模式的输出，定时器可以通向ADC、DAC这些外设用于触发转换，因为ADC经常需要过一个固定时间段转换一次，比如每隔1ms转换一次，如果正常用定时器每隔1ms申请一次中断会频繁进中断对程序有影响，像这种需要频繁进中断，并且在中断只完成了简单工作的情况，用硬件进行支持，比如这里给TIM3定1ms时间，并且把TIM3的更新事件选择为TRGO输出，然后在ADC选择开始触发信号为TIM3的TRGO（‌Trigger Output）‌，这样TIM3的更新事件就能通过硬件自动触发ADC转换，这就是定时器触发的作用。

$V_{REF+}$和$V_{REF-}$是ADC的参考电压，决定了ADC输入电压的范围，下面VDDA和VSSA是ADC的供电引脚，一般情况下$V_{REF+}$接VDDA，但我们学的这款芯片没有，在内部已经和VDDA连接在一起了，VDDA接3.3V 、VSSA接GND，所以ADC的输入电压范围就是0-3.3V。
右边的ADCCLK是ADC的时钟，也就是上面的CLOCK，用于驱动内部逐次比较的时钟，来源于以ADC预分频器，来源与APB2时钟。

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，并且指定了看门的通道，那这个看门狗就会关注它看门的通道，一旦超过阈值范围就是申请看门狗的中断，最后通向NVIC。对于规则组和注入组而言，转换完成后，也会有一个EOC转换完成的信号，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NVIC申请中断，如果开启了NVIC对应的通道，它们就会触发中断

ADC基本结构

输入通道

ADC12_IN0的意思是ADC1和ADC2和IN0都是在PA0上，下面全是ADC12说明ADC1和ADC2的引脚全都是相同的，作用是双ADC模式，ADC1和ADC2一起工作，他俩可以配合组成同步模式、交叉模式等，交叉模式就是ADC1和ADC2交叉对一个通道进行采样，进一步提高采样率，ADC1和ADC2也可以分开使用，分别对不同的引脚进行采样

转换模式

单次转换，非扫描模式

非扫描模式下只有序列一的通道有效，触发转换ADC就会对通道2进行模数转换，过一小段时间转换完成，结构放在数据寄存器，同时给EOC标志位置置1，判断EOC标志位来决定什么时候读数据寄存器。如果想要再一次转换，就需要再触发一次，如果想换一个通道转换，转换之前把第一个位置的通道2改成其他通道，然后再启动转换

连续转换，非扫描模式

非扫描模式还是只用序列1，但连续转换，转换结束后不会停止，而是立刻开启下一轮转换，一直持续下去，这样只需要一开始触发一次，之后就可以一直转换了。这个模式的好处是开始转换之后不需要等待一段时间，因为一直在转换，想要读AD值的时候直接从数据寄存器读就是了。

单次转换，扫描模式

单次转换，没触发一次，转换结束后停下来。扫描模式会用到“菜单列表”，可以在菜单里点菜，第一个菜是通道2，第二个菜是通道5…初始化结构体力多了一个通道数目参数，告诉主机用到了几个序列，比如指定通道数目为7，就只看前7个位置，每次触发后依次对前7个位置进行AD转换，转换结果都放在数据寄存器里，为了防止数据被覆盖需要用DMA及时将数据挪走。7个通道转换完成之后产生EOC信号转换结束，然后再触发下次，开始新一轮转换。

连续转换，扫描模式

一次转换后立刻开始下一次的转换。另外注意扫描模式的情况下还有一种模式是间断模式，它的作用是在扫描的过程中每隔几个转换就暂停一次，需要再次触发才能继续

触发控制

具体是引脚还是定时器，需要用AFIO重映射来确定。软件控制位是我们之前说的软件触发，这些触发信号可以通过设置右边寄存器来选择

数据对齐

数据右对齐，高位补0，数据左对齐，低位补0。一般用数据右对齐，因为右对齐直接读出寄存器的值就是转换结果，如果选择左对齐，直接读得到的数据会比实际的大，因为数据左对齐实际上是把数据左移了四次，相当于把结果乘以16。左对齐的作用是如果不想要很高的分辨率，可以选择左对齐，再把数据的高8位取出，这样就舍去了后四位的精度，12位的ADC退化为8位ADC。

转换时间

为什么需要采样和保持？
AD转换就是后面的量化编码，需要一小段时间，如果这一小段时间里输入的电压还在不断变化，就无法定位输入电压到底在哪，所以在量化编码之前设置一个采样开关，先打开采样开关收集外部的电压，比如可以用一个小容量的电容存储一下电压，存储好之后断开采样开关再进行后面的AD转换。这样在量化编码的期间，电压始终保持不变，这样才能精确定位未知电压的位置，这就是采样保持电路，采样保持的过程中需要闭合采样开关，过一段时间再断开。
采样时间是采样保持花费的时间，可以在程序中配置，采样时间越大越能避免毛刺信号的干扰，不过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，因为是12位ADC，所以花费12个周期，ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK，最大是14MHz，下面是最快1us时间计算来源。

校准

校准过程是固定的，只需要在ADC初始化的最后加几条代码就行了。

硬件电路

电位器产生可调电压的电路

电位器产生一个可调的电压，电位器两个固定端一个接3.3V一个接GND，中间滑动端电压在这之间，一般接KΩ级的电阻，比如这里10k的电阻，这就是电位器产生可调电压的电路。

传感器输出电压的电路

中间是传感器输出电压的电路，一般像光敏电阻、热敏电阻、红外接收器、麦克风等，都可等效为一个可变电阻，电阻阻值没法直接测量，通过和一个固定电阻串联分压来得到一个反应电阻值电压的电路，传感器阻值变小，下拉作用变强，输出端电压就下降…固定电阻一般选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。

电压转换电路

使用电阻进行分压，上面阻值17K，下面33K，加一起50K，根据分压公式，中间电压是VIN/50K*33K，最后得到的电压范围就是0-3.3V，就可以进入ADC转换了，如果电压再高不建议使用这个电路，高电压采集最好使用专门的采集芯片，比如隔离放大器等等，做好高低电压的隔离，保证电路安全