STM32之九：ADC模数转换器

1. 简介

2. ADC

2.1 逐次逼近型寄存器SAR

2.2 ADC转换时间

3 ADC框图

3.1 8 bit ADC0809芯片内部框图

3.2 ADC框图

3.2.1 注入通道和规则通道

3.2.2 单次/连续转换模式

3.2.3 扫描模式

3.2.4 外部触发转换

3.2.5 数据对齐

3.2.6 模拟看门狗

4. 总结和ADC驱动代码

1. 简介

12bitADC（Analog-To-Digital converter）是一个逐次逼近型的模拟数字转换器，有18个通道，可测16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。

2. ADC

STM32的ADC是一个逐次逼近型的ADC，那么在了解STM32的ADC之前，我们先来了解下逐次逼近型的含义，这会帮助我们理解ADC。

2.1 逐次逼近型寄存器SAR

逐次逼近型SAR ADC实质上是一种二进制搜索算法，其结构如下：

模拟输入电压（VIN）由采样/保持电路保持。N位寄存器的MSB（最高有效位设置为1，即1000 000），N位寄存器中的数据输入到N位DAC中，DAC输出（VDAC）会被设置为VREF/2，VREF是提供位ADC的基准电压。

VIN和VDAC都被输入到比较器中，用来比较判断VIN是小于还是大于VDAC。如果VIN大于VDAC，则比较器输出逻辑高电平，N位寄存器的MSB保持为1。相反，如果VIN小于VDAC，则比较器输出逻辑低电平，N位比寄存器的MSB清0。随后SAR控制逻辑移至下一位，并将该位设置为高电平，进行下一次的比较，这个过程一直持续到LSB（最低有效位）。上述操作结束后，也就完成了转换，N位转换结果储存在寄存器内。这就是逐次逼近型寄存器ADC的工作原理。

下图是一个4bit ADC转换示意图，其中y轴和图中粗线表示VDAC，即DAC的输出电压。

在下图中，第一次比较，N位寄存器的值为1000，此时VIN<VDAC，所以bit3=0，即0000.

之后移至下一位，即0100，进行第二次比较，此时VIN>VDAC，所以bit2=1，即0100.

之后再一致下一位，即0110，进行第三次比较，此时VIN<VDAC，所以bit1=0，即0100.

之后移至最后一位，即0101，进行最后一次比较，此时VIN<VDAC，所以bit0=0，即0100.

至此，比较完毕，ADC的转换结果也已得出，即0100.

2.2 ADC转换时间

接上文，4bitADC需要4个比较周期，则NbitADC需要N个比较周期，这个过程在ADC转换过程中也叫做量化编码时间。上面说过一个采样/保持电路，出现该电路是由于ADC转换时候需要量化编码时间，所以需要保证在进行量化编码时VIN的值是一定的，而不是变化的，所以需要一个采样/保持电路。当采样开关打开时，采样一段时间，送入到保持电路，并将采样开关关闭，之后进行量化编码，完成一次ADC转换。所以，ADC转换需要4个步骤：采样、保持、量化、编码。在STM32中，采样保持叫做采样时间，由于STM32是12bit的ADC，其量化编码需要12.5个ADC周期，所以STM32 ADC的总转换时间为： TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期

在STM32时钟树章节，我们了解到ADC时钟ADCCLK最大为14MHz。

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。

所以ADC最快转换时间为1us。

3 ADC框图

3.1 8 bit ADC0809芯片内部框图

了解了逐次逼近型ADC，我们看下8bit ADC0809芯片的内部框图：

先看左侧红色部分，该部分为ADC的输入(采样)通道，一共有8位输入通道，即8bit的ADC。下方的地址锁存和译码可以决定选择那位通道，之后将该通道的模拟信号输入到比较器中。

接着我们看绿色部分，这里有一个逐次逼近型寄存器SAR，下方是一个DAC，DAC输出的信号也会输入到比较器中，下面的过程我们就熟悉了，依次从MSB进行比较，直至比较到LSB，这样便完成了ADC转换。

我们注意下图的上方有一个CLOCK，这个CLOCK主要用来控制转换周期；START信号，表示ADC开始转换；EOC，即 end of conver，表示转换结束，为转换结束标志位。图下方有一个Vcc、GND，为芯片的电压输入引脚；另外VREF(+)和VREF(-)为DAC的参考电压。例如Nbit寄存器中的值为255，那这个值转换为模拟信号是代表3.3V还是5V，即由此电压来决定。一般情况下将VREF(+)和Vcc相连，VREF(-)和GND相连。

所以，ADC内部结构主要包括：输入通道、逐次逼近型寄存器、DAC、时钟、转换结束信号，参考电压。

有了这个基础，下面我们来介绍ADC框图。

3.2 ADC框图

初看该图，会觉得无从下手，有了前面的铺垫，再看这个图，清晰多了。红色框框为输入通道选择，STM32共有18个ADC通道，其中16个为外部GPIO通道，剩下2个分别为温度传感器和VREFINT。绿色框框为逐次逼近型ADC部分。淡黄色同样为输出结果，在STM32中将ADC的转换结果存放到数据寄存器中。橙色部分为输入电压，可看下表：

3.2.1 注入通道和规则通道

观察红框部分，ADC有一个模拟多路开关，该开关输入为18个输入通道，其输出也可以为多个通道。STM32的ADC可以一次性配置多个通道进行转换，多个通道可以分配为注入组和规则组。规则组一次性可以选择16个通道，但规则通道的数据寄存器只有1个，所以，在完成规则组内一个通道的ADC转换之后，需要立马将其数据寄存器中的数据取出，防止其被覆盖，因此规则组通常会和DMA联合使用，提高效率。

注入组一次性只能选择4个通道，但是我们看ADC框图发现注入通道数据寄存器为4*16bit，即共有4个，所以注入组不需要担心数据被覆盖的问题。

一般情况下我们只使用规则组即可。

3.2.2 单次/连续转换模式

单次转换模式：

在单次转换模式下，ADC只执行一次转换，转换完成后则停止ADC。

可以通过配置ADC_CR2寄存器的ADON位来选择

连续转换模式：

在连续转换模式下，ADC转换结束后立马启动另一次转换。

3.2.3 扫描模式

扫描模式是用来扫描一组模拟通道，经常将其和转换模式组合起来，共有4种组合。

3.2.4 外部触发转换

ADC转换也可以由外部事件触发（例如定时器捕获、外部中断等），可通过配置EXTTRIG位来控制。

这部分和ADC框图的粉色框框对应，可以在定时器中设置一个中断，当定时器中断时，产生ADC转换。此处主要说明一点TRGO事件，在TIM定时器章节，3.2 PWM输入模式 中我们曾介绍到，“定时器的主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚，用于触发其他外设的操作”。此处便是一个例子，可以配置TIM3_TRGO事件为触发ADC转换，则硬件会自动在产生TRGO事件后主动触发ADC转换，节省了软件资源。

3.2.5 数据对齐

数据寄存器为16位的，但是ADC是12位的，因此ADC转换结果存放有两种方式：数据右对齐和数据左对齐。

一般情况下选择数据右对齐，这种情况相下，数据寄存器中的值即为ADC的结果，直接读出即可。

那么数据左对齐有什么作用呢，可以在调整分辨率的时候使用，例如在使用8bit的ADC时，可以选择数据左对齐，则选取时值只选取D11-D4部分即可。

可以在ADC_CR2寄存器中配置ALIGN位来实现数据对齐方式的选择：

3.2.6 模拟看门狗

模拟看门狗可以用来关注某些通道，当其电压值不在正常范围内时，看门狗可以产生中断。

如果被ADC转换的模拟电压低于低阀值或高于高阀值，AWD模拟看门狗状态位被设置。阀值位

于ADC_HTR和ADC_LTR寄存器的最低12个有效位中。通过设置ADC_CR1寄存器的AWDIE位

以允许产生相应中断。

4. 总结和ADC驱动代码

最后，根据江协大大的ADC框图，我们看着这个框图，做下总结和复习：

18个输入通道，之后多路输出，选择规则组或者注入组，可以通过控制触发信号开始ADC转换，RCC的ADCCLK来控制ADC周期，转换结束后会将结果放置到数据寄存器，同时EOC标志位也被置位，之后输入到NVIC中断，表示ADC转换结束。ADC也可以配置看门狗，当ADC的值超过设置阈值后，ADC也会触发中断，输入到NVIC中断中。

了解了理论之后，来看ADC配置的代码，就会一目了然。

//adc.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

/**
  * 函    数：AD初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void AD_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);	//开启ADC1的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);	//开启GPIOA的时钟
	
	/*设置ADC时钟*/
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);						//选择时钟6分频，ADCCLK = 72MHz / 6 = 12MHz
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	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);					//将PA0引脚初始化为模拟输入
	
	/*规则组通道配置*/
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);		//规则组序列1的位置，配置为通道0
	
	/*ADC初始化*/
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;						//定义结构体变量
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;		//模式，选择独立模式，即单独使用ADC1
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;	//数据对齐，选择右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;	//外部触发，使用软件触发，不需要外部触发
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;		//连续转换，失能，每转换一次规则组序列后停止
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;			//扫描模式，失能，只转换规则组的序列1这一个位置
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;					//通道数，为1，仅在扫描模式下，才需要指定大于1的数，在非扫描模式下，只能是1
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);						//将结构体变量交给ADC_Init，配置ADC1
	
	/*ADC使能*/
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);									//使能ADC1，ADC开始运行
	
	/*ADC校准*/
	ADC_ResetCalibration(ADC1);								//固定流程，内部有电路会自动执行校准
	while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}

/**
  * 函    数：获取AD转换的值
  * 参    数：无
  * 返 回 值：AD转换的值，范围：0~4095
  */
uint16_t AD_GetValue(void)
{
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);					//软件触发AD转换一次
	while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);	//等待EOC标志位，即等待AD转换结束
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);					//读数据寄存器，得到AD转换的结果
}

参考：

1. 江协科技STM32

2. 理解逐次逼近寄存器型ADC：与其它类型ADC的架构对比 | Analog Devices