STM32中ADC詳解

前言

在嵌入式系統中，模擬信號與數字信號的轉換是連接物理世界與數字系統的核心環節。ADC（Analog-to-Digital Converter，模數轉換器）作為實現這一轉換的關鍵外設，被廣泛應用于傳感器數據采集（如溫濕度、光照、壓力）、電池電壓監測、音頻信號處理等場景。STM32系列芯片集成了高性能ADC外設，支持多通道、高分辨率、多種轉換模式，能滿足從低速高精度到高速實時采集的多樣化需求。

本文將從ADC基礎原理出發，系統解析STM32 ADC的外設結構、工作模式、硬件設計要點與軟件配置方法，通過實戰案例（單通道采集、多通道掃描、DMA傳輸、注入通道等）展示不同場景下的應用，并提供精度優化與調試技巧，幫助嵌入式開發者從入門到精通STM32 ADC的使用。

一、ADC基礎原理

1.1 什么是ADC？

ADC是將連續變化的模擬信號（如電壓、電流）轉換為離散數字信號的器件。其核心指標包括：

  • 分辨率：表示ADC能區分的最小模擬信號變化，通常以位數表示（如12位ADC，可將滿量程分為212=4096個等級）；
  • 轉換速率：單位時間內完成的轉換次數（如1MHz表示每秒轉換100萬次）；
  • 精度：轉換結果與真實值的偏差（包括非線性誤差、偏移誤差等）；
  • 量程：可測量的模擬信號范圍（如0~3.3V）。

STM32的ADC為逐次逼近型ADC，通過內部比較器與DAC逐位逼近輸入信號，平衡了轉換速度與精度，適合中高速采集場景。

1.2 ADC轉換流程

一次完整的ADC轉換包括采樣-保持和量化-編碼兩個階段：

  1. 采樣-保持：通過采樣開關將模擬信號接入采樣電容，在采樣結束后斷開開關，保持電容上的電壓穩定，確保轉換期間信號不變；
  2. 量化-編碼：將保持的模擬電壓與基準電壓比較，轉換為對應的數字量（如12位ADC中，03.3V對應04095）。

公式：數字量 = (輸入電壓 / 參考電壓) × (2^分辨率 - 1)
例如：12位ADC，參考電壓3.3V，輸入電壓1.65V時，數字量 = (1.65/3.3)×4095 = 2047。
在這里插入圖片描述

1.3 STM32 ADC的核心特性

STM32不同系列的ADC性能略有差異（以主流的F103、F407、H7為例），共性特性包括：

  • 分辨率：12位（部分型號支持10/8/6位可調）；
  • 轉換速率：最高可達2.4MHz（F103）、2.8MHz（F407）、36MHz（H7）；
  • 通道數量：16個外部通道（GPIO引腳）+ 內部通道（如溫度傳感器、參考電壓、電池電壓監測）；
  • 工作模式：單通道單次轉換、多通道掃描、連續轉換、間斷模式等；
  • 觸發方式：軟件觸發、定時器觸發、外部中斷觸發；
  • 數據對齊：左對齊或右對齊（影響數字量的存儲格式）；
  • 校準功能：支持自校準，降低偏移誤差。

二、STM32 ADC外設結構

STM32的ADC外設采用“多通道共享轉換器”架構，通過通道選擇器切換輸入信號，核心結構包括模擬多路開關、采樣保持電路、ADC核心、數據寄存器、觸發控制器等。

2.1 通道配置

STM32 ADC的通道分為外部通道和內部通道：

  • 外部通道：通過GPIO引腳輸入（如F103的PA0PA7、PB0PB1等），每個通道對應特定引腳（需參考數據手冊的“ADC通道引腳映射表”）；
  • 內部通道：集成在芯片內部，無需外部引腳，包括：
    • 溫度傳感器（ADC1_IN16，F103系列）；
    • 內部參考電壓VREFINT（ADC1_IN17）；
    • 電池電壓監測VBAT（通過ADC1_IN18，需配置VBAT引腳）。

示例：STM32F103C8T6的ADC1外部通道映射：

  • PA0 → ADC1_IN0
  • PA1 → ADC1_IN1
  • …
  • PA7 → ADC1_IN7
  • PB0 → ADC1_IN8
  • PB1 → ADC1_IN9

2.2 轉換模式

STM32 ADC支持多種轉換模式，適應不同采集需求：

  • 單次轉換模式：啟動一次轉換后，僅轉換一次指定通道，轉換完成后停止；
  • 連續轉換模式：啟動后持續轉換指定通道，轉換完成后自動重新開始；
  • 掃描模式：對多個通道按順序依次轉換（需配置通道序列），適用于多傳感器采集；
  • 間斷模式：將通道序列分為多組，每組轉換后暫停，等待下一次觸發（適合分階段采集）。

2.3 觸發方式

ADC轉換可通過軟件或硬件觸發啟動：

  • 軟件觸發：通過寫入ADC控制寄存器的SWSTART位啟動（靈活，適合低頻率采集）；
  • 硬件觸發：由內部定時器（TIM1~TIM8）、外部中斷線等觸發（精確控制轉換時刻，適合同步采集）。

常用硬件觸發源（以F103為例）：

  • TIM1_CH1 → ADC1_EXTRIG0
  • TIM2_CH3 → ADC1_EXTRIG1
  • TIM3_TRGO → ADC1_EXTRIG2
  • …

2.4 數據寄存器與對齊方式

ADC轉換結果存儲在16位數據寄存器（ADC_DR）中，支持兩種對齊方式：

  • 右對齊：轉換結果的最低位對齊寄存器的0位（12位數據存儲在[11:0]位，默認方式）；
  • 左對齊：轉換結果的最高位對齊寄存器的15位（12位數據存儲在[15:4]位，便于截斷為8位數據）。

示例：12位ADC，輸入電壓對應數字量2047（0x7FF）：

  • 右對齊：ADC_DR = 0x07FF
  • 左對齊：ADC_DR = 0x7FF0

二、STM32 ADC外設詳解

2.1 外設結構（以STM32F103為例）

STM32F103系列通常包含2個ADC（ADC1、ADC2），部分型號（如F103ZET6）有3個ADC（增加ADC3），共享16個外部通道。其結構框圖如下（簡化版）：
在這里插入圖片描述

[模擬輸入通道] → [多路開關] → [采樣保持電路] → [ADC核心] → [數據寄存器]↑
[觸發控制器] → [轉換控制邏輯] → [校準電路]
  • 多路開關：選擇當前轉換的通道（支持掃描模式下的自動切換）；
  • 采樣保持電路：在轉換期間保持輸入電壓穩定（采樣時間可配置）；
  • ADC核心：12位逐次逼近型轉換器，完成量化與編碼；
  • 觸發控制器：接收軟件或硬件觸發信號，啟動轉換；
  • 校準電路：通過內部校準程序降低偏移誤差。

2.2 關鍵參數配置

2.2.1 分辨率

STM32F1/F4系列ADC默認分辨率為12位，部分高端型號（如H7）支持可調分辨率（6/8/10/12位）。12位分辨率下，量化誤差為滿量程的1/4096（約0.024%）。

2.2.2 采樣時間

采樣時間是ADC對輸入信號的采樣持續時間，需根據輸入信號的帶寬配置（帶寬越高，需越長采樣時間）。STM32 ADC的采樣時間可配置為：1.5、7.5、13.5、28.5、41.5、55.5、71.5、239.5個ADC時鐘周期。

采樣時間計算：
總轉換時間 = 采樣時間 + 12.5個ADC時鐘周期（轉換時間）
例如：ADC時鐘為12MHz，采樣時間7.5周期：
總轉換時間 = (7.5 + 12.5) / 12MHz = 20 / 12e6 ≈ 1.67μs（轉換速率約600kHz）。

2.2.3 ADC時鐘

ADC時鐘由APB2總線時鐘分頻得到（F103中APB2時鐘最高72MHz），分頻系數可配置為2、4、6、8，因此ADC時鐘最高為72MHz/2=36MHz（但實際使用中，12位分辨率下建議≤14MHz以保證精度，高速模式可放寬至36MHz）。

2.3 注入通道與規則通道

STM32 ADC引入“規則通道”與“注入通道”的概念，用于區分常規與緊急采集：

  • 規則通道：常規轉換通道，最多支持16個通道（需配置轉換序列）；
  • 注入通道：優先于規則通道的緊急通道（如過壓保護），最多支持4個通道，可打斷規則通道轉換，完成后自動恢復。

應用場景：規則通道采集正常傳感器數據，注入通道監測異常信號（如電池過壓），確保異常信號優先處理。

三、ADC硬件設計要點

ADC的硬件設計直接影響采集精度與穩定性，需重點關注輸入信號調理、參考電壓、抗干擾等環節。

3.1 輸入信號范圍與分壓電路

STM32 ADC的輸入電壓范圍為0VREF+（通常VREF+接3.3V，因此輸入信號需限制在03.3V）。若測量超量程信號（如05V、012V），需通過分壓電路降壓：

示例：測量0~5V電壓，分壓電路設計：

  • 采用兩個10kΩ電阻串聯，輸入5V時，分壓后為2.5V（≤3.3V）；
  • 計算公式：V_ADC = V_IN × R2/(R1+R2)，其中R1=R2=10kΩ；
  • 硬件需在ADC引腳處并聯100nF電容濾波，減少高頻噪聲。

3.2 參考電壓（VREF）

ADC的轉換精度依賴參考電壓的穩定性：

  • 多數場景下，VREF+直接接3.3V電源（與VDD共享），但電源噪聲會影響精度；
  • 高精度場景下，可外接低噪聲參考電壓源（如TL431），通過VREF+引腳輸入（需參考芯片數據手冊，部分型號VREF+不可外接）。

3.3 抗干擾設計

  • 布線要求：ADC輸入線遠離高頻信號線（如SPI的SCK、電機驅動線），避免電磁干擾；
  • 濾波電路：在ADC引腳與信號源之間串聯100Ω電阻+并聯100nF電容（RC低通濾波），截止頻率約1.6MHz，濾除高頻噪聲；
  • 接地處理：ADC輸入信號的地應與數字地單點連接，避免地環路噪聲；
  • 電源濾波：在3.3V電源端并聯10μF電解電容+100nF陶瓷電容，減少電源紋波。

3.4 溫度傳感器與內部參考電壓

使用內部溫度傳感器時，需注意：

  • 溫度傳感器的輸出電壓隨溫度變化（約2.5mV/℃），需通過公式換算：
    溫度(℃) = [(V25 - V_TEMP) / Avg_Slope] + 25
    其中：V25=25℃時的電壓（約1.43V），Avg_Slope=平均斜率（約4.3mV/℃）；
  • 需使能內部溫度傳感器：通過ADC_CR2的TSVREFE位使能，且轉換前需等待傳感器上電穩定（約10μs）。

四、ADC軟件配置步驟

本節以STM32F103 ADC1為例，分別介紹寄存器級與HAL庫的配置方法，實現基礎ADC采集功能。

4.1 寄存器級配置（單通道單次轉換，PA0/ADC1_IN0）

步驟1：使能時鐘
// 使能ADC1和GPIOA時鐘（ADC1掛載APB2總線）
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN | RCC_APB2ENR_IOPAEN;
// 配置ADC時鐘（APB2=72MHz，分頻系數2，ADC時鐘=36MHz）
RCC->CFGR &= ~RCC_CFGR_ADCPRE;
RCC->CFGR |= RCC_CFGR_ADCPRE_DIV2;
步驟2：配置GPIO為模擬輸入

ADC輸入引腳需配置為模擬輸入模式（無上下拉，不輸出）：

// 配置PA0為模擬輸入
GPIOA->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE0 | GPIO_CRL_CNF0);
// MODE0=00（輸入模式），CNF0=00（模擬輸入）
步驟3：ADC校準

ADC上電后需進行校準，降低偏移誤差：

// 復位ADC
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_RSTCAL;
while (ADC1->CR2 & ADC_CR2_RSTCAL);  // 等待復位完成// 校準ADC
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CAL;
while (ADC1->CR2 & ADC_CR2_CAL);    // 等待校準完成
步驟4：配置ADC參數（單通道單次轉換）
// 配置ADC：單通道、單次轉換、右對齊、軟件觸發
ADC1->CR1 &= ~(ADC_CR1_SCAN | ADC_CR1_CONT);  // 關閉掃描和連續模式
ADC1->CR2 &= ~(ADC_CR2_ALIGN | ADC_CR2_EXTTRIG);  // 右對齊，禁止外部觸發
ADC1->CR2 |= ADC_CR2_EXTSEL;  // 選擇軟件觸發// 配置轉換序列：1個通道（通道0），排名1
ADC1->SQR1 &= ~ADC_SQR1_L;  // 轉換序列長度=1（0000）
ADC1->SQR3 &= ~ADC_SQR3_SQ1;  // 第1個轉換通道為通道0
ADC1->SQR3 |= ADC_SQR3_SQ1_0;// 配置采樣時間：通道0，采樣時間7.5周期
ADC1->SMPR2 &= ~ADC_SMPR2_SMP0;
ADC1->SMPR2 |= ADC_SMPR2_SMP0_1;  // 7.5周期
步驟5：實現ADC轉換函數
// 單次轉換并返回結果（12位右對齊）
uint16_t ADC1_ReadChannel0(void) {// 使能ADCADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON;// 啟動轉換（軟件觸發）ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;// 等待轉換完成（EOC位為1）while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));// 讀取結果（右對齊，取[11:0]位）return (uint16_t)(ADC1->DR & 0x0FFF);
}

3.2 HAL庫配置（基于STM32CubeMX）

步驟1：創建工程與時鐘配置
  • 打開STM32CubeMX，選擇芯片（如STM32F103C8T6）；
  • 配置RCC：HSE時鐘，系統時鐘72MHz，APB2時鐘72MHz；
  • 配置ADC時鐘：APB2分頻2，ADC時鐘36MHz。
步驟2：配置ADC1通道0
  • 在“Pinout & Configuration”中，左側選擇“Analog”→“ADC1”；
  • 勾選“IN0”（對應PA0）；
  • 配置參數：
    • Mode：Independent ADC（獨立模式）；
    • Data Alignment：Right Alignment（右對齊）；
    • Scan Conversion Mode：Disabled（關閉掃描）；
    • Continuous Conversion Mode：Disabled（關閉連續轉換）；
    • Discontinuous Conversion Mode：Disabled；
    • External Trigger Conversion Source：Software trigger（軟件觸發）；
  • 點擊“ADC1_IN0”，配置Sampling Time為7.5 Cycles。
步驟3：生成代碼
  • 配置工程路徑與IDE（如Keil MDK）；
  • 生成代碼，確保MX_ADC1_Init()函數正確初始化ADC。
步驟4：HAL庫轉換函數實現
// 單通道單次轉換（阻塞式）
uint16_t ADC1_ReadChannel0(void) {uint16_t adc_value = 0;// 啟動ADC轉換HAL_ADC_Start(&hadc1);// 等待轉換完成（超時100ms）if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) {// 讀取轉換結果（右對齊）adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);}// 停止ADCHAL_ADC_Stop(&hadc1);return adc_value;
}

四、實戰案例

4.1 案例1：單通道電壓采集（電池電壓監測）

功能：通過ADC采集電池電壓（0~4.2V），轉換為實際電壓值并通過UART輸出。

硬件設計
  • 電池電壓通過10kΩ+20kΩ分壓（4.2V → 4.2×20/(10+20)=2.8V ≤3.3V）；
  • 分壓后接入PA0（ADC1_IN0），并并聯100nF濾波電容。
軟件實現（HAL庫）
// 初始化ADC和UART
void System_Init(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_ADC1_Init();MX_USART1_UART_Init();
}// 轉換ADC值為實際電壓（單位：mV）
uint16_t ADC_ConvertToVoltage(uint16_t adc_value) {// 3.3V對應4095，分壓系數3（10k+20k）return (uint16_t)(adc_value * 3300.0f / 4095.0f * 3);
}int main(void) {System_Init();uint16_t adc_val, voltage;while (1) {adc_val = ADC1_ReadChannel0();voltage = ADC_ConvertToVoltage(adc_val);printf("ADC值：%d，電池電壓：%d mV\r\n", adc_val, voltage);HAL_Delay(1000);  // 每秒采集一次}
}
測試方法
  • 用穩壓電源模擬電池電壓（0~4.2V），接入分壓電路；
  • 打開串口助手，觀察輸出的電壓值是否與實際輸入一致（誤差應≤50mV）。

4.2 案例2：多通道掃描模式（環境傳感器采集）

功能：通過ADC1的通道0（PA0）、通道1（PA1）、通道2（PA2）分別采集溫度、濕度、光照傳感器的模擬信號，采用掃描模式連續采集。

軟件配置（HAL庫）

  1. 在CubeMX中配置ADC1：

    • Scan Conversion Mode：Enabled；
    • Continuous Conversion Mode：Enabled；
    • Number Of Conversion：3；
    • 配置轉換序列：Channel0（Rank1）、Channel1（Rank2）、Channel2（Rank3）；
    • 采樣時間均為13.5 Cycles。

  2. 多通道讀取函數：

// 多通道掃描模式采集（連續轉換）
void ADC1_ReadMultiChannels(uint16_t *buf) {// 啟動ADCHAL_ADC_Start(&hadc1);// 連續讀取3個通道的轉換結果for (uint8_t i = 0; i < 3; i++) {// 等待轉換完成if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) {buf[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);} else {buf[i] = 0;  // 超時錯誤}}HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}
  1. 主函數調用：
int main(void) {System_Init();uint16_t adc_buf[3];  // 存儲3個通道的ADC值while (1) {ADC1_ReadMultiChannels(adc_buf);printf("溫度ADC：%d，濕度ADC：%d，光照ADC：%d\r\n", adc_buf[0], adc_buf[1], adc_buf[2]);HAL_Delay(500);}
}

4.3 案例3：DMA傳輸（高速連續采集）

當需要高速連續采集（如音頻信號、振動數據）時，使用DMA傳輸可避免CPU頻繁讀取ADC數據，提高效率。

配置步驟（CubeMX）

  1. 配置ADC1為連續掃描模式，啟用DMA：

    • Continuous Conversion Mode：Enabled；
    • DMA Continuous Requests：Enabled；
    • 在“DMA Settings”中添加ADC1_DMA，方向Peripheral to Memory，模式Circular（循環模式），數據寬度Half Word（16位）。

  2. DMA緩沖區定義與初始化：

#define ADC_BUF_SIZE 1024  // 緩沖區大小
uint16_t adc_dma_buf[ADC_BUF_SIZE];  // DMA接收緩沖區// 初始化ADC+DMA
void ADC1_DMA_Init(void) {MX_ADC1_Init();MX_DMA_Init();// 啟動DMA循環采集HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_dma_buf, ADC_BUF_SIZE);
}
  1. DMA傳輸完成回調（可選）：
// DMA半傳輸/全傳輸完成回調（循環模式下觸發）
void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {if (hadc == &hadc1) {// 處理前半緩沖區數據（0~511）process_adc_data(adc_dma_buf, 0, ADC_BUF_SIZE/2);}
}void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {if (hadc == &hadc1) {// 處理后半緩沖區數據（512~1023）process_adc_data(adc_dma_buf, ADC_BUF_SIZE/2, ADC_BUF_SIZE/2);}
}
  1. 數據處理函數：
// 處理ADC數據（如計算平均值、峰值）
void process_adc_data(uint16_t *buf, uint16_t start, uint16_t len) {uint32_t sum = 0;for (uint16_t i = start; i < start + len; i++) {sum += buf[i];}uint16_t avg = sum / len;  // 計算平均值printf("ADC平均值：%d\r\n", avg);
}

4.4 案例4：注入通道（緊急信號監測）

功能：規則通道采集正常溫度數據，注入通道監測高溫報警信號（超過閾值時優先處理）。

配置步驟

  1. 在CubeMX中配置ADC1：

    • 規則通道：Channel0（溫度傳感器），連續轉換；
    • 注入通道：Channel1（高溫監測），配置為“AutoInjected”（自動注入），觸發條件為規則通道轉換完成。

  2. 注入通道中斷處理：

// 注入通道轉換完成中斷回調
void HAL_ADC_InjectedConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {if (hadc == &hadc1) {uint16_t inject_val = HAL_ADC_GetInjectedValue(hadc, ADC_INJECTED_RANK_1);if (inject_val > 3000) {  // 假設閾值為3000（對應高溫）printf("高溫報警！注入通道值：%d\r\n", inject_val);// 執行報警操作（如點亮LED、觸發蜂鳴器）}}
}
  1. 主函數：
int main(void) {System_Init();// 啟動規則通道和注入通道轉換HAL_ADCEx_InjectedStart_IT(&hadc1);  // 使能注入通道中斷HAL_ADC_Start(&hadc1);while (1) {// 讀取規則通道數據（溫度）if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) {uint16_t temp_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);printf("溫度值：%d\r\n", temp_val);}HAL_Delay(100);}
}

4.5 案例5：內部溫度傳感器采集

功能：通過STM32內部溫度傳感器（ADC1_IN16）采集芯片溫度，并轉換為攝氏度。

配置步驟（HAL庫）

  1. 在CubeMX中啟用內部溫度傳感器：

    • 打開ADC1配置，勾選“IN16”（Temperature Sensor）；
    • 配置采樣時間為239.5 Cycles（溫度傳感器需要較長采樣時間）。

  2. 溫度轉換函數：

// 讀取內部溫度傳感器值（℃）
float ADC1_ReadTemperature(void) {uint16_t adc_val;float temp;// 啟動ADCHAL_ADC_Start(&hadc1);// 等待轉換完成if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK) {adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);// 溫度計算公式（參考STM32F1數據手冊）// V25=1.43V，Avg_Slope=4.3mV/℃，VREF+=3.3Vtemp = (1.43f - (adc_val * 3.3f / 4095.0f)) / 0.0043f + 25.0f;}HAL_ADC_Stop(&hadc1);return temp;
}
  1. 主函數調用：
int main(void) {System_Init();float temp;while (1) {temp = ADC1_ReadTemperature();printf("芯片溫度：%.1f ℃\r\n", temp);HAL_Delay(1000);}
}

五、ADC高級特性與精度優化

5.1 校準與偏移補償

STM32 ADC的精度可通過校準進一步優化：

  • 初始化校準：上電后執行一次復位校準（RSTCAL）和ADC校準（CAL），減少偏移誤差；
  • 周期性校準：環境溫度變化較大時，建議定期校準（如每小時一次）；
  • 手動偏移補償：通過測量零點電壓（輸入0V時的ADC值），在數據處理時減去偏移量。
// 測量偏移值（輸入0V時的ADC值）
uint16_t adc_offset = 0;
void ADC1_CalibrateOffset(void) {// 短接ADC輸入到GND（實際應用中需硬件支持）adc_offset = ADC1_ReadChannel0();
}// 帶偏移補償的ADC讀取
uint16_t ADC1_ReadWithOffset(void) {uint16_t val = ADC1_ReadChannel0();return (val > adc_offset) ? (val - adc_offset) : 0;
}

5.2 濾波算法（減少噪聲）

ADC采集數據受噪聲影響時，可通過軟件濾波優化：

  • 滑動平均濾波：取最近N次采樣的平均值（適合緩慢變化信號）；
  • 中值濾波：取最近N次采樣的中間值（適合剔除脈沖干擾）；
  • 加權平均濾波：近期采樣賦予較高權重（適合快速變化信號）。

滑動平均濾波示例：

#define AVG_N 10  // 平均次數
uint16_t adc_buf[AVG_N];
uint8_t adc_idx = 0;// 滑動平均濾波
uint16_t ADC1_SmoothFilter(uint16_t new_val) {uint32_t sum = 0;adc_buf[adc_idx++] = new_val;if (adc_idx >= AVG_N) adc_idx = 0;// 計算平均值for (uint8_t i = 0; i < AVG_N; i++) {sum += adc_buf[i];}return sum / AVG_N;
}

5.3 提高轉換速率的技巧

  • 減少采樣時間：在信號帶寬允許的情況下，選擇較短采樣時間（如1.5周期）；
  • 提高ADC時鐘：在精度允許范圍內，提高ADC時鐘（如36MHz）；
  • 使用DMA傳輸：避免CPU等待，實現連續高速采集；
  • 多ADC同步模式：高端STM32型號（如F4、H7）支持多ADC同步轉換，并行采集多個通道。

5.4 低功耗模式下的ADC應用

在電池供電設備中，需優化ADC的功耗：

  • 關閉未使用的ADC通道：減少內部電路功耗；
  • 單次轉換模式：轉換完成后立即關閉ADC（HAL_ADC_Stop()）；
  • 低功耗模式喚醒：在STM32休眠時，通過外部觸發（如定時器）喚醒ADC進行單次轉換，完成后繼續休眠。
// 低功耗模式下的ADC采集
void ADC1_LowPowerRead(void) {// 喚醒ADCHAL_ADC_Start(&hadc1);// 等待轉換HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);uint16_t val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);// 關閉ADCHAL_ADC_Stop(&hadc1);// 進入休眠模式HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
}

六、常見問題與調試技巧

6.1 采集數據跳變劇烈（噪聲大）

  • 原因：
    • 輸入信號未濾波（高頻噪聲）；
    • 電源紋波過大（VREF+不穩定）；
    • 布線靠近干擾源（如電機、射頻模塊）；
  • 解決：
    • 增加RC濾波電路（100Ω+100nF）；
    • 電源端并聯10μF+100nF電容；
    • 軟件添加滑動平均濾波；
    • 信號線遠離干擾源，鋪地平面。

6.2 轉換精度低（與實際值偏差大）

  • 原因：
    • 未進行ADC校準（偏移誤差大）；
    • 分壓電路電阻精度低（如使用5%誤差電阻）；
    • 參考電壓VREF+不準確（如3.3V實際為3.2V）；
  • 解決：
    • 上電后執行校準，定期重新校準；
    • 使用1%精度的分壓電阻；
    • 測量實際VREF+電壓（如3.28V），修正轉換公式：
      實際電壓 = (ADC值 × VREF實際值) / 4095 × 分壓系數。

6.3 DMA傳輸數據錯誤

  • 原因：
    • DMA緩沖區大小與轉換次數不匹配；
    • ADC與DMA時鐘不同步；
    • 未啟用DMA連續請求（Circular模式）；
  • 解決：
    • 確保DMA緩沖區大小 ≥ 轉換通道數 × 連續轉換次數；
    • 檢查ADC和DMA的時鐘配置（ADC時鐘≤36MHz）；
    • 在CubeMX中勾選“DMA Continuous Requests”。

6.4 注入通道不觸發

  • 原因：
    • 未正確配置注入通道序列；
    • 觸發源選擇錯誤；
    • 未使能注入通道中斷；
  • 解決：
    • 檢查注入通道的Rank配置（1~4）；
    • 確認觸發源與規則通道不沖突；
    • 調用HAL_ADCEx_InjectedStart_IT()使能中斷。

6.5 調試工具與方法

  • 示波器測量：
    • 測量ADC輸入引腳的模擬信號，確認信號是否穩定；
    • 觀察VREF+電壓，檢查是否有紋波；
  • ADC自校驗：
    • 將ADC輸入短接至GND或VREF+，檢查讀數是否接近0或4095；
  • 日志輸出：
    • 通過UART輸出原始ADC值與轉換后的物理量，對比理論值；
  • CubeMonitor工具：
    • 使用STM32CubeMonitor實時監控ADC數據，繪制波形（適合動態信號分析）。

七、總結與擴展

STM32 ADC作為核心模擬采集外設，其靈活性與性能滿足了多樣化的嵌入式應用需求。本文從基礎原理到實戰案例，系統講解了ADC的工作模式、配置方法與優化技巧，核心要點包括：

  • ADC的分辨率、轉換速率與采樣時間是關鍵參數，需根據場景平衡（如高精度場景選擇長采樣時間，高速場景選擇短采樣時間）；
  • 硬件設計需重視濾波、分壓與抗干擾，直接影響采集質量；
  • 軟件配置需根據需求選擇模式（單通道/多通道、單次/連續、DMA/中斷）；
  • 精度優化需結合校準、濾波與硬件設計，多維度提升穩定性。

未來學習可擴展至：

  • 多ADC同步采集（如F4系列的ADC1與ADC2同步模式）；
  • 過采樣技術（通過多次采樣提高有效分辨率）；
  • 基于ADC的觸摸按鍵設計（利用RC充放電時間測量）；
  • 與DMA+定時器結合的高頻數據采集系統（如音頻采集）。

掌握STM32 ADC的使用，不僅能解決傳感器數據采集問題，更能理解模擬與數字世界的接口設計思想，為復雜嵌入式系統開發奠定基礎。實踐中需結合具體硬件與場景，不斷調試優化，才能充分發揮ADC的性能。

附錄：常用代碼片段

  1. ADC分辨率切換（適用于支持可調分辨率的型號）：
// 配置ADC為10位分辨率（部分型號支持）
void ADC1_SetResolution10bit(void) {ADC1->CR1 &= ~ADC_CR1_RES;ADC1->CR1 |= ADC_CR1_RES_0;  // 10位分辨率
}
  1. 外部觸發轉換（定時器觸發）：
// 配置ADC1由TIM3_TRGO觸發
void ADC1_ConfigTimerTrigger(void) {// 使能TIM3時鐘RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;// 配置TIM3為1kHz觸發（周期1ms）TIM3->PSC = 7199;  // 72MHz/7200=10kHzTIM3->ARR = 9;     // 10kHz/10=1kHzTIM3->CR2 |= TIM_CR2_MMS_1;  // TRGO=更新事件TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN;    // 啟動定時器// 配置ADC外部觸發ADC1->CR2 |= ADC_CR2_EXTTRIG;  // 使能外部觸發ADC1->CR2 &= ~ADC_CR2_EXTSEL;  // 選擇TIM3_TRGO（EXTSEL[2:0]=010）ADC1->CR2 |= ADC_CR2_EXTSEL_1;
}
  1. 雙通道交替采樣（提高轉換效率）：
// ADC1通道0和通道1交替采樣（連續模式）
void ADC1_AlternateChannels(void) {// 配置掃描模式，2個通道ADC1->CR1 |= ADC_CR1_SCAN;ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CONT;  // 連續模式ADC1->SQR1 |= ADC_SQR1_L_0;  // 序列長度=2// 序列1：通道0，序列2：通道1ADC1->SQR3 |= ADC_SQR3_SQ1_0;  // SQ1=0ADC1->SQR3 |= ADC_SQR3_SQ2_1;  // SQ2=1
}

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