STM32中ADC模數轉換器

一、ADC簡介

ADC模擬-數字轉換器

ADC可以將引腳連續變化的模擬電壓轉換為內存中存儲的數字變量，建立模擬電路到數字電路的橋梁

12位逐次逼近型ADC，1us轉換時間

輸入電壓范圍： 0~3.3V，轉換結果范圍：0~4095

18個輸入通道，可測量16個外部和2個內部信號源

規則組和注入組兩個轉換單元

模擬看門狗自動檢測輸入電壓范圍

STM32F2103C8T6? ADC資源：ADC1、ADC2、10個外部輸入通道

二、逐次逼近型ADC

逐次逼近型ADC內部結構

ADC0809:是一個獨立的8位逐次逼近型ADC芯片,在以前的時候，單片機的性能還不是很強，所以需要外掛一個ADC芯片才能進行AD轉換，這個ADC0809就是一款比較經典的ADC芯片，但現在單片機的性能和集成度都有很大的提升，很多單片機內部就已經集成了ADC外設，這樣就不用外掛芯片了，引腳可以直接測電壓，使用還是非常方便的

結構的分析

首先在最左邊這里IN0~IN7,是8路輸入通道，通過通道選擇開關，選中一路，輸入到比較器前面的箭頭的位置進行轉換

其次下面的這里是地址鎖存器和譯碼：就是你想選擇哪個通道，就把通道號放在這三個腳上，然后給一個鎖存信號，上面這里對應的通道開關就可以自動撥好了

上面這兩個部分就可以看作是一個可以通過模擬信號的數據選擇器

因為ADC轉換是一個很快的過程，你給一個開始信號，過個us就轉換完成了，所以說如果想轉換多路信號，那不必設計多個AD轉換器，只需要一個AD轉換器，然后加一個多路選擇開關，想轉換哪一路，就先撥一下開關，選中對應通道，然后在開始轉換就行了

這就是輸入通道選擇的部分，這個ADC0809只有8個輸入通道，我們STM32內部的ADC是有18個輸入通道的，所以對應這里，就是一個18路輸入的多路開關，然后輸入信號我們選擇好了，我們來看下一部分

怎么才能知道這個電壓對應的編碼數據是多少呢

這個就需要我們用逐次逼近的方法來一一比較了，首先一個電壓比較器，它可以判斷兩個輸入信號電壓的大小關系，輸出一個高低電平指示誰大誰小，它的兩個輸入端，一個待測的電壓，另一個這里DAC的電壓輸出端，DAC是數模轉換器（給他一個數據，他就可以輸出數據對應的電壓，DAC內部是使用加權電阻網絡來實現的轉換，想要深入探究看江科大51單片機教程里的DA/AD一節）

現在我們有了一個外部通道輸入的未知編碼的電壓和一個DAC輸出的已知編碼的電壓，它們同時輸入到電壓比較器，進行大小判斷，如果ADC輸出的電壓比較大，我就調小DAC數據，如果DAC輸出的電壓比較小，我就增大DAC數據，直到DAC輸出的電壓和外部通道輸入的電壓近似相等，這樣DAC輸入的數據就是外部電壓的編碼數據，這就是DAC的實現原理。這個電壓調節的過程就是這個逐次逼近SAR來完成的，為了最快找到未知電壓的編碼，通常我們會使用二分法進行尋找

例如：這里是8位的ADC，那編碼就是從0~255，那第一次比較的時候，我們就給DAC輸入255的一半，進行比較，就是128，然后看看誰大誰小，如果DAC電壓大了，如果第二次比較的時候，在就給128的一半，64，如果還是大，第三次比較的時候就給32，如果這次DAC電壓小了，那第四次就給32到64中間的值，然后繼續，這樣依次進行下去，就能最快地找到未知電壓的編碼

那然后AD轉化結束后，DAC的輸入數據就是未知電壓的編碼，輸出8位就有8根線，12位就有12根線

最上面EOC是轉換結束信號

START是開始轉換，給一個輸入脈沖，開始轉換

CLOCK是ADC時鐘，因為ADC內部是一步一步進行判斷的，所以需要時鐘來推動這個過程

下面的B\VREF+和VREF-是DAC的參考電壓，比如你給一個數據255，就是對應5V還是3.3V,就由這個參考電壓決定，這個DAC的參考電壓也決定了ADC的輸入范圍，所以它也是ADC參考電壓，最后左邊是整個芯片電路的供電，VCC和GND,通常這個參考電壓的正極和VCC是一樣的會接在一起，參考電壓的負極和GND也是一樣的，也連接在一起，所以一般情況下，ADC輸入電壓的范圍就和ADC的供電是一樣的

STM32F103C8T6內部的ADC結構

這里左邊是ADC的輸入通道，包括16個GPIO口，IN0~IN15,和兩個內部的通道，一個內部溫度傳感器，一個是VREFINT內部參考電壓，然后18個輸入通道，然后是一個模擬多路開關，可以指定我們想要選擇的通道，右邊是多路開關的輸出，進入到模數轉換器，這里模數轉換器就是執行的我們剛才講過的逐次比較的過程，轉換的結果會直接放在這個數據寄存器里，我們讀取寄存器就能知道ADC轉換的結果了

在模擬多路開關中，對于普通的ADC，多路開關一般都是只選一個的，就是選中某一個通道，開始轉換，等待轉換完成，取出結果，這是普通的流程

但是這里比較高級，他可以同時選中多個，而且在轉換的時候，還分成了兩個組，規則通道組和注入通道組，其中規則組可以一次性最多選中16個通道，注入組最多選中4個通道

在這里這個東西有什么作用呢

舉個簡單的例子

這就像你去餐廳點菜，普通的ADC是你指定一個菜，老板給你做，然后做好了送給你。但在這里是你指定一個菜單，這個菜單最多可以填16個菜，然后你直接遞個菜單給老板，老板按照菜單的順序依次做好，一次性給你端上來，這樣的話就可以大大提高效率，當然你的菜單也可以只寫一道菜，這樣這個菜單就簡化成了普通的模式了

對于這個菜單呢也有兩種，一種是規則組菜單，可以同時上16個菜，但是有一點，這個規則通道數據寄存器是有一個，也就是說這個桌子比較小，最多只能放一個菜，如果上16個菜，那不好意思，前15個菜都會被擠掉，你只能得到16個菜，所以對于規則組轉換來說，如果使用這個菜單的話，最好配合DMA來實現，DMA是一個數據轉運小幫手，它可以在每上一個菜之后把這兒菜挪到其他地方去，放置被覆蓋

注入組：這個注入組就比較高級了，它相當于餐廳的VIP座位，在這個座位上，一次性最多可以點4個菜，并且這里數據寄存器有4個，是可以同時上4個菜的，對于注入組而言，就不用擔心數據覆蓋的問題了，一般情況下我們使用規則組就完全足夠了

首先，左下角這里就是觸發轉換的部分，也就是最上面的START信號，開始轉換，對于STM32的ADC，觸發ADC開始轉換的信號有兩種，一種是軟件觸發，就是你在程序中手動調用一條代碼，就可以啟動轉換了，另一種就是硬件觸發，就是右下角部分這些觸發源，上面是注入組的觸發源，下面這些是規則組的觸發源，這些觸發源只要來自定時器，有定時器的各個通道，還有TRGO定時器主模式的輸出，定時器可以通向ADC，DAC這些外設，用于觸發轉換。那因為ADC經常需要過一個固定時間段轉換一次（比如每隔1ms轉換一次，正常思路就是，用定時器，每隔1ms申請一次中斷，在中斷里手動開始一次轉換，這樣也是可以的）但是頻繁進入中斷對我們的程序是有一定影響的，比如你有很多中斷都需要頻繁進入，那肯定會影響主程序的執行，并且不同中斷之間，由于優先級的不同，也會導致某些中斷不能及時得到響應，如果觸發ADC的中斷不能及時響應，那么我們ADC的轉換頻率就肯定會產生影響了，所以對于這種需要頻繁進中斷，并且在中斷里只完成了簡單工作的情況，一般都會有硬件的支持

在左上角這里是VREF+、VREF-、VDDA和VSSA,上面是ADC的參考電壓，決定了ADC輸入電壓的范圍，下面是ADC的供電引腳，一般情況下，VREF+要接VDDA，VREF-要接VSSA

右邊的這里的ADCCLK是ADC的時鐘，用于驅動內部逐次比較的時鐘，這個是來自ADC預分頻器，這個ADC預分頻器是來源于RCC的

DMA請求是用于觸發DMA進行數據轉運的

模擬看門狗：它里面可以存一個閾值高限和閾值底限，如果啟動了模擬看門狗，并指定了看門的通道，那這個看門狗就會關注它看門的通道，一旦超過這個閾值范圍了，它就會亂叫，就會在上面申請一個模擬看門狗的中斷，最后通向NVIC,對于規則組和注入組而言呢，它們轉換完成之后，也會有一個EOC轉換完成的信號

EOC：規則組的完成信號

JEOC：注入組完成的信號

這兩個信號會在狀態寄存器里置一個標志位，我們讀取標志位，就能知道是不是轉換結束了，同時這兩個標志位也可以去到NVIC申請中斷，如果開啟了NVIC對應的通道，它們就會觸發中斷

ADC基本結構

輸入通道

這些就是ADC通道和引腳復用的關系

這個對應關系也可以通過引腳定義表看出來

轉換模式

單次轉換，非掃描模式

這個是最簡單的

這里左邊畫了一個列表，這個表就是規則組里的菜單，有16個空位，分別是序列1都序列16，你可以在這里“點菜”就是寫入你要轉換的通道，在非掃描的模式下，這個菜單就只有第一個序列1的位置有效。這時菜單同時選中一組的方式就退化為簡單地選中一個的方式了，這里序列1的位置指定我們想轉換的通道，比如通道2，然后就可以觸發轉換，ADC就會對這個通道2進行模數轉換，過一點時間，轉換完成。轉換結果放在數據寄存器里，同時EOC標志位置1。我們判斷這個EOC標志位，如果轉換完了，那我們就可以在數據寄存器里讀取結果了，如果我們想在啟動一次轉換，那就需要在觸發一次，轉換結束，置EOC標志位，讀結果。如果想換一個通道轉換，那在轉換之前，把第一個位置的通道2改成其他通道，然后在啟動轉換，這樣就行了

連續轉換，非掃描模式

它與上一種單次轉換不同的是，它在一次轉換結束后不會停止，而是立刻開始下一輪的轉換，然后一直持續下去。這樣就只需要最開始觸發一次，之后就可以一直轉換了。這個模式的好處就是開始轉換之后不需要等待一段時間的，因為它一直都在轉換，所以你就不需要手動開始轉換了，也不用判斷是否結束的，想要讀AD值的時候，直接從數據寄存器取就是了，這就是連續轉換，非掃描的模式

單次轉換，掃描模式

這個模式也是單次轉換，所以每觸發一次轉換結束后，就會停下來，下次轉換就得在觸發才能開始，然后它是掃描模式，這就會用到這個菜單列表了，你可以在這個菜單里點菜（比如第一菜是通道2，第二菜是通道5，等等），這里每隔位置是通道幾可以任意指定，并且也是可以重復的然后初始化結構體里還會有個參數，就是通道數目，以為這16個位置你可以不用完，只用前幾個，那你就需要在給一個通道數目的參數，告訴他，我有幾個通道（比如這里指定通道數目為7，那它就只看前7個位置，然后每次觸發之后會，他就依次對這前7個位置進行AD轉換，轉換結果都放在數據寄存器里，這里為了防止數據被覆蓋，就需要用到DMA及時將數據挪走，那7個通道轉換完成之后，產生EOC信號，轉換結束，然后在觸發下一次，就又開始新一輪的轉換）這個就是單次轉換，掃描模式的工作流程