【复旦微FM33 MCU 开发指南】ADC

前言

本系列基于复旦微FM33LC0系列单片机的DataSheet编写，旨在提供手册解析和开发指南。
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本文章最后更新日期：2024/11/09
全文字数：≈7000；阅读时间≈5min

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1 概述

SAR ADC

VREF引脚接入的电源

2 输入通道

FM33LC0支持16个采样通道，其中12个外部通道和4个内部通道。

2.1 外部通道

12个外部通道分8个快速通道和4个慢速通道，测量外部引脚输入的模拟信号。
快速通道和慢速通道在使用上没有区别，但慢速通道会更影响采样率的计算，具体在下一节讲解。

2.2 内部通道

4个内部通道不需要占用引脚，而且都为慢速通道。

2.2.1 PTAT（芯片温度测量）

用于测量芯片温度。内部温度传感器实测精度并不太高，可能有5℃的偏差。

众所周知，模拟器件的特性基本都是温度的曲线，因此内部温度传感器一般用于对一些模拟器件进行温度补偿，在该应用场景下对温度传感器的精度要求并不高。像RTC的温补，时钟源RCHF和RCMF的温补都可以用内部温度传感器完成。

有关温度传感器的进一步说明可以在芯片手册32.4.2 温度传感器章节中进一步了解。

下图列出了温度传感器出厂定标值的Flash地址、模拟参数。
使用内部通道采集PTAT时得到的是个电压值，用这个电压值和出厂时的定标值进行比较和换算，就可以转换为芯片温度。

2.2.2 VREFINT（内部基准源测量）

内部基准源的ADC采集主要用于采样值和真实电压值的转换，进一步说明请见本文第四章。

2.2.3 OPA（运算放大器）

FM33LC0内置两个运算放大器，ADC可以通过内部通道采集运算放大器的输出。

2.3 采样通道的寄存器配置

通过配置ADC->CHER寄存器，可以使能需要的ADC通道。

3 转换模式及数据读取

3.1 转换模式

3.1.1 单次转换

全自动触发模式：
触发一次采集所有通道，每采集完一个通道会产生一个EOC中断；等所有通道都采集完成会产生一个EOS中断。
半自动触发模式：
触发一次只采集一个通道，采集完成后产生一个EOC中断；当所有通道都被采集完成后，产生EOS中断。

可通过ADC->CR寄存器开始单次转换。

3.1.2 连续转换

采样顺序可以在ADC->CFGR寄存器选择。

3.1.3 外部信号触发

FM33LC0支持使用外部信号触发连续采样，不支持外部信号触发单次采样。
（也就是说，一旦触发就无法停止，除非手动关闭ADC）

触发源可以在ADC->CFGR寄存器选择。

3.2 数据读取

3.2.1 通过寄存器直接读取

可以直接通过ADC->DR寄存器读取转换数据。

3.2.2 通过DMA搬运数据

在ADC使用DMA时，通过ADC->CFGR寄存器配置开启DMA。

在ADC使用DMA时，必须开启等待模式，即在ADC->CFGR寄存器中配置WAIT=1。

在ADC使用DMA时，在打开ADC后，应该写ADC->CR寄存器的START位开始第一次触发。

4 转换时间

这里的转换时间指的是：ADC外设的一个通道，从其开始采样，到得到ADC数据的时间。

如果使用时钟数来表示转换时间：
单通道ADC转换时钟数 = 采样保持时钟数 + ADC转换时钟数+通道切换时钟数 + DMA搬运时钟数
可以将时钟数换算为时间（us）:
单通道ADC转换时间（us）= 单通道ADC转换时钟数 / ADC工作时钟（MHz）

可以由用户决定的只有采样保持时间，因此对该部分展开讲解。

4.1 采样保持时间

4.1.1 ADC采样原理

在继续下面的内容前，需要大概了解一下ADC采样原理。
（我硬件不是很专业，可能表述有误，主要是为了理解概念）

**这张图只了解以下三个部分就可以了：**左边红框是信号源，即ADC要采集的信号；右边绿色是ADC内部的采样电容；蓝色是一个开关（在ADC内部，为了理解我自己画上去的）

首先要知道，我们要采集的信号是一个连续的模拟信号，但ADC的转换结果是一个采样的过程，即在时间上是不连续的。

对一个通道的一次转换过程可以简化为以下步骤：

1. 蓝色开关闭合，外面的信号为采样电容充电。
2. 充电会持续由软件设定的采样保持时间的时长。
3. 蓝色开关断开，由ADC采集采样电容的电压，并得到转换结果。

每经过上面三个步骤，ADC就会得到一个转换值。
重复这个过程，就能得到若干个采样值，从而还原信号源真实波形（如果采样率足够的话）

4.1.2 什么是采样保持时间

采样保持时间其实就是给ADC内部电容充电的时间。既然是充电，那么其电压值就是由小变大的。
如果采样保持时间足够长：采样电容充满电（即其电压和外部信号此刻的电压相同）后断开蓝色开关，并开始ADC转换，其转换得到的数据就是相对准确的。
如果采样保持时间不够：采样电容还没有充满电（即其电压低于和外部信号此刻的电压）就断开蓝色开关，并开始ADC转换，其转换得到的数据是偏低的。

4.1.3 怎么确定采样保持时间

DataSheet上写明：ADC输入信号采样时间最小值由被采样的模拟信号源内阻、信号输入通道阻抗、引脚寄生电容、采样电容共同决定。（其实变量只有被采样的模拟信号源内阻，就是上图的$R_{AIN}$）

模拟信号源内阻我觉得可以理解为信号源的驱动能力：信号源的驱动能力强，可以在特别短的时间就将电容充满电（和此刻信号的电压值相同），因此需要的采样保持时间就短。反之，信号源驱动能力弱，需要更长的时间将电容充到希望的电压值，就需要更长的采样保持时间。

采样信号的保持时间DataSheet给出了计算公式：

变量名	名称	值
$n$	有效位数	$n=12$
$SA$	表示采样电容上的电压建立到被采样信号电平的误差（LSB）	$SA=0.25$
$R_{AIN}$	被采样信号源内阻（kΩ）	非常量
$R_{ADC}$	ADC输入通道阻抗（kΩ）	查表
$R_{IO}$	引脚输入阻抗（kΩ）	$R_{IO}=0.1$
$C_{ADC}$	ADC采样电容容值（pF）	$C_{ADC}=12.8$

其中，$R_{ADC}$的值可以通过下表查得：

4.1.4 采样保持时间计算示例

DataSheet上有采样保持时间的计算示例：

虽然他写了，但第一次算的话也不知道他用哪个数据算的，因此我用第一个例子算一下：

1. 首先要确定$R_{ADC}$，提到25℃、3.3V的VDDA、使用的快速通道，对应上面的表，其实是下图红框里这俩阻值，要得到他的结果，要用右边的值（即最大值），转换单位为kΩ，$R_{ADC}=0.72k\Omega$。
   
2. 信号源内阻$R_{AIN}$已给出，$R_{AIN}=1k\Omega$。
3. 代入公式$T_{samp}=ln(2^{12}/0.25)\ast (1+0.72+0.1)\ast 12.8=226.065ns$
4. 如果ADC的工作时钟是16Mhz，那1个时钟对应62.5ns。因此，将采样保持时间设置为4个时钟，实际为241ns，超过226.065ns，是满足要求的。

4.1.5 采样保持时间寄存器配置

通过ADC->SMCR寄存器配置SMTS1和SMTS2。

3.2 ADC转换时间

固定为12clk。

3.3 通道切换时间

至于ADC->SMCR寄存器中的CHCG，即采样通道切换等待时间，实测对通道切换时间没有影响。
（可能是测试方法问题，如有需要可以自行测试一下看看）

3.4 DMA搬运时间

手册上未写，但实测当使用DMA将ADC外设的数据搬运到RAM中时，每个通道需要额外一个时钟。
（可能是测试方法问题，如有需要可以自行测试一下看看）

5 采样率

5.1 计算方法

在前面的章节中，已经得到了单个通道在进行AD转换时所需要的时钟数。
所有快速通道需要的时钟数是一样的，所有慢速通道AD转换需要的时钟数也是一样的
（每个通道不能分别配置采样保持时间）
并且，因为所有通道是连续转换的，因此无论是快速通道还是慢速通道，他们的采样率是一样的。

目前已知：单个快速通道在一次AD转换中需要的时钟数、单个慢速通道在一次AD转换中需要的时钟数、ADC的工作时钟
则所有通道的采样率可以用下式来计算：

$采样率=ADC工作时钟/（快速通道转换时钟数\ast 快速通道数量+慢速通道转换时钟数\ast 快速通道数量）$

5.2 过采样

过采样可通过ADC->CFGR寄存器配置。

当使能过采样后，ADC的采样率将会按照设置的过采样率分频。

6 采样值和真实值的转换

上图的意思其实就是ADC的转换值取决于VDDA的电压值。
当没有使能过采样或硬件平均时，ADC的转换结果为12bit，最大值为4096。当采集一个大于或等于VDDA的电压时，得到的转换值为4096；当采集一个0V或低于0V的电压时，得到的转换值为0。

在一般情况下，VDDA是已知且稳定准确的，那么根据上述比例关系，可以根据采样值得到真实电压值。

但如果VDDA是波动的，或在一些对采样精度要求很严格的应用场合下，我们应该知道当前的VDDA是多少，以得到准确的比例关系。这种时候就要同时采集内部VREFINT通道，换算出当前VDDA的真实电压值，进而得知被采集信号的真实电压值。