9. ADC模数转换器

1、ADC模拟-数字转换器

ADC (Analog-Digital Converter) 可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字变量，建立模拟电路到数字电路的桥梁

  1. ADC位数和范围：STM32F103C8T6的ADC是12位的，这意味着它可以将输入电压范围（0到3.3V）分成4096个不同的数字值。最小的数字值是0，最大的数字值是4095。

  2. 转换时间：ADC的最大转换时间为1微秒（1us），这对于需要高速采样的应用非常有用。1us的转换时间对应1MHz的采样速率。

  3. 输入通道：该微控制器具有18个输入通道，其中16个用于外部信号源，2个用于内部信号源。这使得它可以同时测量多个不同的信号，适用于多通道数据采集应用。

  4. 规则组和注入组：规则组用于常规的ADC转换，而注入组用于特殊要求的转换。这提供了更大的灵活性，以满足各种测量需求。

  5. 模拟看门狗：ADC配备了模拟看门狗，可以自动监测输入电压范围，帮助您检测输入信号是否在预期的范围内。这有助于确保测量的准确性和安全性。

STM32F103C8T6 ADC资源:ADC1、ADC2，10个外部输入通道

2、逐次逼近型ADC：

img

逐次逼近型ADC（Successive Approximation ADC）是一种常见的模拟-数字转换器（ADC）类型，用于将模拟信号转换为数字形式。它的工作原理基于逐次逼近方法，二分对比

  • 逐次逼近型是ADC的工作模式

  • 12位是分辨率，12位AD值，表示的范围是1~2^12-1,就是量化结果的范围是0~4095，位数越高，量化结果就越精细，对应分辨率就越高

  • 转换时间：就是转换频率，1us就表示从AD转换开始到产生结果，需要花1us的时间，对应AD转换的频率就是1MHz，这是STM32 ADC的最快转换频率，若要转换一个高频率的信号，就要考虑转换频率是否够用，如果信号频率比较低，最大1MHz的转换频率完全够用，

规则组和注入组两个转换单元

  • 一般可以用于测量光线强度、温度这些值
  • 如果光线高于某个预值、低于某个预值，或者温度高于某个预值、低于某个预值时，就会执行一些操作
  • 模拟开门狗可以监测指定的某些通道，当AD值高于他设定的上域值，或者低于下域值时。就会申请中断，然后就可以在中断函数里，执行相应的操作

3、ADC基本结构：

img

双ADC模式：ADC1和ADC2一起工作，它俩可以配合组成同步模式、交叉模式等。

  • 左边是输入通道16个GPIO口外加2个内部的通道

  • 进入AD转换器的两个组：规则组（最多选中16个通道）和注入组（最多选择4个通道），转换的结果存放在AD数据寄存器

  • AD数据寄存器：规则组只有1个数据计算器，注入组有4个
  • 触发控制：提供开始转换START信号,触发控制可以选择软件触发和硬件触发,硬件触发主要是来自于定时器,也可以选择外部中断的硬件
  • RCC的ADC时钟CLOCK：推动ADC逐次比较的过程
  • 模拟看门狗：监测转换结果的范围,如果超出设定的预值就通过中断输出控制,向NVIC申请中断
  • 另外规则组和注入组转换完成后,会有个EOC信号,它置自己一个标志位，可以通向NVIC
  • 开关控制：ADC_Cmd函数，给ADC上电的

输入通道：

img

4、规则组的4种转换模式

单次转换，非扫描模式：

img

  • 非扫描的模式下，只有第一个序列1的位置有效

  • 在序列1的位置，我们可以指定想转换的通道，比如通道2，写到序列1的位置

  • 然后触发转换，ADC就会对这个通道2进行模数转换，转换完成后，转换结果放在数据计算器里，同时给EOC标志位置1，转换结束
  • 通过判断这个EOC标志位是否转换完成，若完成，就可以在数据寄存器里读结果
  • 若想再启动一次转换，需要再触发一次，转换结束至EOC标志位读结果
  • 若想换一个通道转换，在转换之前，把第一个位置的通道2改成其他通道，然后再启动转换这样就行了

在这种模式下，ADC执行一次模拟信号到数字数据的转换，然后停止。这适用于需要定期获取模拟信号的应用，但不需要连续的数据流。一旦转换完成，您可以读取转换结果。

单次转换，扫描模式：

img

单次转换：每触发一次，转换结束后就会停下来，下次转换需要再触发
扫描模式：会用到这个菜单列表了，通道几(相当于菜)可以任意指定，且可以重复，初始化结构体有个参数表示通道数目（比如7个），说明只需要用多少序列
为了防止数据被覆盖，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，重新开始

类似于单次转换，但与非扫描模式不同的是，扫描模式允许您在一次触发下依次转换多个通道。这对于需要依次测量多个传感器的应用非常有用。

连续转换，非扫描模式：

img

  • 非扫描模式：菜单列表就只用第一个
  • 连续转换：在一次转换结束后不会停止，而是立刻开始下一轮的转换，然后一直持续下去，只需要最开始触发一次，就可以一直转换
  • 读取的时候不用判断是否结束，直接从数据寄存器读即可

在这种模式下，ADC会不断执行连续的模拟信号到数字数据的转换，而不需要额外的触发。它会不断生成新的转换结果，适用于需要实时数据流的应用，例如音频处理。

连续转换，扫描模式：

img

  • 就是一次转换完成后，立刻开始下一次的转换

与连续转换相似，但允许依次转换多个通道，类似于单次转换的扫描模式。这对于需要定期测量多个信号源的应用非常有用。

您可以根据特定应用的需求选择适当的转换模式。不同的模式适用于不同的数据采集和处理场景。例如，如果您需要定期获取一个或多个传感器的数据，可以选择单次转换或单次扫描模式。如果需要连续获取模拟信号的数据流，可以选择连续转换模式。

5、触发控制（软件触发）

img

6、数据对齐：

img

STM32的ADC是12位的，它的转换结果就是一个12位的数据。但是这个数据寄存器是16位的，所以就存在一个数据对齐的问题。

一般使用右对齐，这样读取这个16位寄存器，直接就是转换结果。

  • 上图：右对齐读数据寄存器，就是转换结果，左对齐读取数据寄存器，比实际大16倍
  • 左对齐应用：不想要这么高的分辨率，你觉得0-4095数太大了，左对齐后取高八位即可，就从12位的ADC退化为8位了

7、转换时间：

img

采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰。不过转换时间也会延长。

  • 采样保持电路：量化编码之前,设置一个采量开关,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,存储一下这个电压,存储好了之后断开采样开关
  • 再进行后面的AD转换,这样再量化编码的期间电压始终保持不变。
  • 采样保持的过程的需要闭合采样开关过一段时间再断开，就会产生一个采样时间
  • 总转换时间为：TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期（多了0.5个周期，可能是做其他事情需要花的时间）
  • 采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰，不过转换时间也会相应延长
  • ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK,这个ADCCLK最大是14兆赫值例如： 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(故最快是1us)

校准：

ADC有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。校准期间，在每个电容器上都会计算出一个误差修正码(数字值)，这个码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差

建议在每次上电后执行一次校准

启动校准前， ADC必须处于关电状态超过至少两个ADC时钟周期

8、硬件电路

img

（1） 电位器产生一个可调的电压的电路

  • 中间的滑动端可以输出一个0~3.3伏可调的电压输出来,
  • 上滑时电压增大,下滑时电压减小,若阻值太小，电阻就会比较费电

（2）分压方法输出传感器组织的电路

  • 传感器输出电压的电路，例如光敏电阻、热敏电阻、红外接头管、麦克风等都可以等效为一个可变电阻
  • 那电阻阻值得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，
  • 当传感器阻止变小时，下拉作用变强，输出端电压就下降
  • 传当感器组织变大时，下拉作用变弱，输出端受上拉电阻的作用，电压就会升高
  • 固定电阻建议选择和传感器阻值相近的电阻，才可以得到一个位于中间电压区域，比较好的输出
  • 此处传感器和固定电阻的位置也调换，输出电压的极性就反过来了

（3）简单的电压转换电路

  • 想测一个0-5V的VIN电压，到那时ADC只能接收0~3.3V的电压，就可以搭建此类电路
  • 使用电阻分压，上面阻值17K，下面阻值33K，加一起50K，
  • 中间的电压就是VIN/50K*33K,得到的电压范围就是0-3.3伏,就可以进入ADC转换了
  • 想要其他范围（如5V、10V）的VIN电压可类似操作，电压再高一点就不建议了，不安全

9、AD单通道示例代码

img

这是一个用于配置ADC（模拟-数字转换器）进行单通道模式的基本步骤。这些步骤描述了如何在STM32微控制器上设置ADC以进行单通道的模拟信号转换。

  1. 开启RCC时钟：首先，您需要启用RCC（Reset and Clock Control）时钟来激活ADC和相关的GPIO外设。这确保了ADC的时钟正常运行。

  2. 配置ADC的分频器：ADC有一个分频器，它可以将系统时钟分频以获得适当的时钟频率。这是为了确保ADC可以按照所需的速度进行转换。您需要配置分频器以满足应用的要求。

  3. 配置GPIO：在ADC的输入通道引脚上，您需要将相应的GPIO配置为模拟输入模式。这告诉STM32微控制器将这些引脚视为模拟输入，并准备好接收模拟信号。

  4. 配置多路开关：多路开关允许您选择要测量的模拟通道。您需要将要测量的通道连接到ADC的规则组中，以便进行转换。在图中，左边的通道被连接到右边的规则组列表中。

  5. 配置ADC转换器：最后，您需要使用库函数或寄存器配置ADC转换器。这包括设置转换模式（单通道）、规则组、采样时间等参数。您还需要启动ADC转换以开始从所选通道获取模拟信号的数字表示。

消除ADC返回结果的方法：

  1. 迟滞比较：设置两个阈值，低于下阈值开灯，高于上阈值时关灯。
  2. 滤波：平滑数据(均值滤波)
  3. 裁剪分辨率：直接把数据的尾数去掉，也可以减小数据的波动

电位器即滑动变阻器，用电位器产生0~3.3V连续变化的模拟电压信号，然后接到STM32的PA0口上，之后用STM32内部的ADC读取电压数据，显示在屏幕上 屏幕第一行：模拟数据 屏幕第二行：处理过后显示的电压值
往左拧电位器，AD值减小，对应的电压减小，反之则反
ADC是12位的，AD结果最大值是4095，也就是2^12-1,对应的电压是3.3V
GPIO只能读取高低电平 ，而ADC可以对高低电平之间的任意电压进行量化，最终用一个变量表示

1、AD.c（单次转换非扫描）

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
 
void AD_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	//配置ADCCLK分频器,对APB2的72MHz时钟选择2、4、6、8分频，输入到ADCCLK
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);//分频后等于72MHz/6=12MHz
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;//模拟输入
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	//ADC规则组通道配置，给序列的每个位置填写指定的通道，就是填写点菜菜单的过程
	//第一个参数是ADCx，第二个是ADC指定的通道（通道0-17）
	//第三个是写在序列几的位置，然后第四个指定通道的采样时间
	//ADC_SampleTime_55Cycles5表示55.5个ADCCLK的周期
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
	//ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_3, 2, ADC_SampleTime_55Cycles5);
	//ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_3, 3, ADC_SampleTime_55Cycles5);
	//通道可以重复，序列不要重复，需要的话可以多写几个，这是填充菜单的方法
	
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;//工作模式，独立模式：ADC1和ADC2各转各的
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;//右对齐
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;//不使用外部触发转换，即软件触发
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//单次
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非扫描
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;//总共需要扫描多少个通道
 
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
	
	//中断和看门狗如果需要可以在此处定义
	
	//ADC上电
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
	
	ADC_ResetCalibration(ADC1);//复位校准
	//为1时，开始复位校准，复位校准完后，该位就会由硬件自动清0
	while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//等待复位校准完成
	ADC_StartCalibration(ADC1);//开始校准
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//等待校准完成
}
 
uint16_t AD_GetValue(void)
{
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);	//软件触发
	while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);//转换结束，EOC置1
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);//获取AD转换的数据寄存器，读取转换结果
}

这段代码用于初始化和读取STM32F10x系列微控制器的ADC，以获取单通道（通道0）的模拟输入值。首先，它启用了所需的时钟，配置了GPIO引脚为模拟输入模式，然后设置了ADC的采样参数和模式。最后，通过调用AD_GetValue函数，您可以触发ADC转换并等待结果，然后读取转换的数字值。

2、改为连续转换非扫描

  • 好处：无需不断触发，不需要等待转换完成ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;//连续
  • 连续转换只需要初始化一次即可，所以软件触发的函数可以挪到初始化函数最后ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //软件触发 在初始化完成后触发一次即可
  • 且在AD_GetValue函数中，不需要判断标志位 while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);//转换结束，EOC置1 这一句可以删除

3、main.c

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"
 
uint16_t ADValue;
float Voltage;
 
int main(void)
{
	OLED_Init();
	AD_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "ADValue:");
	OLED_ShowString(2, 1, "Volatge:0.00V");
	
	while (1)
	{
		ADValue = AD_GetValue();
		Voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3;
		
		OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4);
		OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1);
		OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100, 2);
		
		Delay_ms(100);
	}
}

10、AD多通道

在使用扫描模式实现多通道AD转换时，配合DMA可以解决一些问题。以下是问题和解决方案的详细说明：

问题1：在扫描模式下，启动列表之后，每一个单独的通道转换完成之后，不会产生任何的标志位，也不会触发中断，不知道某一个通道是不是转换完了。

解决方案1：使用DMA（直接内存访问）来转运数据。DMA可以在每个通道转换完成后，自动将数据传输到指定的内存位置。通过检测DMA传输完成的标志位，可以确定每个通道的转换是否已完成。

问题2：AD的速度非常快，转换一个通道大概只有几us，如果不能在几us的时间内把数据转运走，那数据就会丢失。

解决方案2：通过使用DMA，可以实现高效的数据传输，以确保在AD转换速度较快的情况下，数据能够及时被转移到内存中。DMA的特点是能够在不占用CPU过多时间的情况下完成数据传输任务，从而避免了数据丢失的问题。

如果不使用扫描模式，可以采用单次转换、非扫描的方式来实现多通道。只需要在每次触发转换之前，手动更改列表第一个位置的通道就行了。

总体而言，扫描模式结合DMA是实现多通道AD转换的最优解，能够有效地处理快速的AD转换速度，并确保数据准确传输到内存中。

现象：

  • 电位器：通第一个实验
  • 光敏电阻：遮挡，光纤减小，AD值增大；移开，光线增大，AD值减小
  • 热敏电阻：用手热一下，温度升高，AD减小，反之则反
  • 反射红外传感器：手靠近，由反光，AD值减小，移开，没有反光，AD值增大

1、思路

  • 在每次触发转换之前，手动更改一下列表第一个位置的通道，比如
    第一次转换，在序列1先写入通道0，之后触发、等待、读值
  • 第二次转换，在序列1把通道0改成通道1，之后触发、等待、读值
  • 第三次转换，在序列1改成通道2等等

2、AD.c

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
 
void AD_Init(void)
{
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
		
	ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
	ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
	ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
	ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
	ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;//非连续
	ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;//非扫描
	ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;总共需要扫描多少个通道
	ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
	
	ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
	
	ADC_ResetCalibration(ADC1);
	while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
	ADC_StartCalibration(ADC1);
	while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}
 
uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel)
{
	ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);
	ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
	while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
	return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

3、main.c

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"
 
uint16_t AD0, AD1, AD2, AD3;
 
int main(void)
{
	OLED_Init();
	AD_Init();
	
	OLED_ShowString(1, 1, "AD0:");
	OLED_ShowString(2, 1, "AD1:");
	OLED_ShowString(3, 1, "AD2:");
	OLED_ShowString(4, 1, "AD3:");
	
	while (1)
	{
		AD0 = AD_GetValue(ADC_Channel_0);
		AD1 = AD_GetValue(ADC_Channel_1);
		AD2 = AD_GetValue(ADC_Channel_2);
		AD3 = AD_GetValue(ADC_Channel_3);
		
		OLED_ShowNum(1, 5, AD0, 4);
		OLED_ShowNum(2, 5, AD1, 4);
		OLED_ShowNum(3, 5, AD2, 4);
		OLED_ShowNum(4, 5, AD3, 4);
		
		Delay_ms(100);
	}
}

11、知识点

1、模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;

在AIN，GPIO口无效，断开GPIO口，防止GPIO口的输入输出对模拟电压造成干扰，AIN是ADC的专属模式

2、校准的4个步骤
ADC_ResetCalibration(ADC1);//复位校准
while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//等待复位校准完成
ADC_StartCalibration(ADC1);//开始校准
while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);//等待校准完成

3、模拟量输出和数字输出
DO是数字输出

AO是模拟量输出