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ADC简介
ADC,英文全称是Analog to Digital Convert,意为模拟数字转换器,简称模数转换器,或者叫AD转换器,STM32主要是数字电路,数字电路只有高低电平,没有几V电压的概念,如果想读取电压值需借助ADC模数转换器来实现。ADC读取引脚上的模拟电压,转化成一个数据存在寄存器里,将这个数据读取到变量中就可以进行显示、判断、记录等操作。 数字到模拟的桥梁除了DAC还有PWM,PWM只有完全导通和完全断开两种状态,这两种状态下都没有功率损耗,在直流电机调速这种大概率应用场景,使用PWM来等效模拟量比DAC更好,PWM电路更简单常用。DAC的应用主要在波形的生成的领域,比如信号发生器、音频解码器等等。本型号的STM32没有DAC外设,自行了解即可。 12位逼近型ADC和1us转换时间,设计到两个关键参数,第一个是分辨率,一般用多少位来表示,12位AD值的范围就是0 ~ ADC的输入电压一般要求都是在芯片的负极和正极之间变化的,最低电压是负极0V,最高电压是正极3.3V,经过ADC转换之后最小值是0,最大值是4095,最大最小分别对应,之间的值也一一对应的线性关系,计算简单乘除系数即可。 外部信号源就是16个GPIO口,在引脚上直接接模拟信号即可,不需要任何额外的电路,引脚就能直接测电压,较为方便。2个内部信号源是内部温度传感器和内部参考电压,温度传感器可以测量CPU的温度,内部参考电压是一个1.2V左右的基准电压,不随外部供电电压的变化而变化。如果芯片的供电不是标准的3.3V,测量外部引脚的电压可能不对,此时可读取这个基准电压进行校准,得到正确的电压值。 ADC的增强功能,普通的AD转换流程,启动一次转换读一次值,再启动再读值。STM32的ADC可以列一个组,一次性启动一个组,连续转换多个值,有两个组,一个用于常规使用的规则组,一个是用于突发事件的注入组 模拟看门狗自动检测输入电压范围。ADC一般可以用于测量光线强度,温度这些值,当温度高于或低于某个阈值会执行一些操作,这个判断就可以用模拟看门狗去自动执行,模拟看门狗可以用于检测指定收的某些通道,当AD值高于或低于阈值时就会申请中断,并可以在中断之中执行相应的操作,省去不断手动读值再用if判断的操作 stm32f103c8t6只有ADC1和ADC2两个外设,10个外部输入通道,也就是它最多只能测量10个外部引脚的模拟信号。前面的16个外部信号源是这个系列最多有16个外部信号源,但是这个芯片引脚较少,有些引脚未被引出。如果需要更多通道可以选择其他型号 逐次逼近型ADCADC0809的内部电路图,是一个独立的8位逐次逼近型ADC芯片。左边的IN0~IN7是输入的八路通道,通过通道选择开关选择一路,输入到比较器的上方进行转换,下边是地址锁存和译码,想选择哪个通道,就把通道号放在这三个脚上,给一个锁存信号,上面对应的通道选择开关就可以自动拨好了,这部分相当于可以通过模拟信号的数据选择器。ADC转换是一个很快的过程,给一个开始信号过几us便转换完成,如果想转换多路信号,只需一个AD转换器,加上一个多路选择开关,想转换哪一路拨动对应的开关,选中对应通道,然后开始转换即可。这里的ADC0809只有八个输入通道,STM32内部有18个输入通道,对应图中就是18路输入的多路开关 对于判断电压对应的编码数据的方法,需要用到逐次逼近的方法来一一比较,图中三角形是一个电压比较器,可以判断两个输入信号电压的大小关系,输出一个高低电平指示谁大谁小,他的两个输入端,一个是待测的电压(上),另一个是DAC电压输出端,DAC是数模转换器,给他一个数据就可以输出对应的电压,DAC内部是使用加权电阻网络进行转换。 将一个外部通道输入的位置编码的电压,和一个DAC输出的已知编码的电压,同时输入到电压比较器进行判断,如果DAC输出电压比较大,那就调小DAC数据,如果DAC输出比较小,那么就增大DAC数据,直到DAC输出电压和外部通道输入电压近似相等,这样DAC输入的数据就是外部电压的编码数据。 电压调节的过程是由逐次逼近寄存器SAR完成的,为了最快找到未知电压的编码,通常会使用二分法进行查找,比如这里是8位的DAC,那编码就是0~255,第一次比较的时候,给DAC输入255的一半128进行比较,如果DAC电压大了,第二次比较的时候给128的一半64,如果还大第三次比就给32,如果这次小了那第四次就给32~64之间的值然后继续,以最快找到未知电压的编码。在这个过程中如果用二进制表示的话,会发现128 64 32 正好是二进制每一位的位权,这个判断过程相当于是对二进制从高位到低位依次判断是1还是0的过程。对于8位的ADC,从高位到低位判断8次就可以找到未知电压的编码。对于12位的ADC就需要判断12次。 AD转换结束后,DAC的输入数据就是未知电压的编码,通过右边三态锁存缓冲器进行输出,八位就有8根线,十二位就有12根线。最右上角的EOC是End Of Convert转换结束信号。Start是开始转换,给一个输入脉冲开始转换,Clock是ADC时钟,因为ADC内部是一步一步进行判断的,需要时钟推动这个过程。 下面VREF+和VREF-是DAC的参考电压,比如给一个数据255会对应5V还是3.3V将由这个参考电压决定,这个DAC的参考电压也决定了ADC的输入范围,所以他也是ADC参考电压。左边VCC和GND是整个芯片电路的供电,通常参考电压的正极VREF+和VCC是一样的,会接在一起,参考电压的负极和GND也是一样的,接在一起,一般情况下,ADC的电压输入范围就和ADC的供电一样 ADC框图左边是ADC的输入通道,包括16个GPIO口,IN0~IN15,和两个内部的通道,一个是内部温度传感器,另一个是VREFINT(V Reference Internal),内部参考电压。然后到达模拟多路开关,可以指定想要选择的通道,右边是多路开关的输出,进入到模拟至数字转换器。 对于普通的ADC,多路开关一般只选中一个,选中某一个通道后开始转换,等待转换完成取出结果。但是在这里的较为高级,这里可以同时选中多个,而且转换的时候还会分成规则通道组和注入通道组两个组,其中规则组可以一次性选择最多16个通道,注入组最多可以选择4个。 举个例子,将ADC类比成去餐厅点菜,普通ADC是指定一个菜让老板去做,做好了端上来。这里的ADC是,指定一个菜单,最多可以填16个菜,直接将菜单给老板,就会按照菜单的书序依次做好,一次性给端上来,以此提高效率,菜单也可以写一个菜,这样就会简化成普通的模式。 菜单分为两种,一种是规则组,可以同时上16个菜,但是规则组只有一个数据寄存器,可以理解成桌子比较小,只能上一个菜,如果上16个,那么前15个都会被挤掉,只能得到第十六个。对于规则组来说,如果使用这个最好配合DMA来实现,DMA是数据转运的小帮手,在每上一个菜后把这个菜移动到其他地方去,防止数据被覆盖。规则组虽然可以同时转换16个通道,但是数据寄存器只能存一个结果,如果不想之前的结果被覆盖,在转换完成之后要尽快把结果拿走。 注入组相对比较高级,相当于餐厅的VIP座位,在这个座位上最多可以一次性点4个菜,并且数据寄存器有四个,可以同时上四个菜,不用担心数据被覆盖的问题 左上角是VREF+和VREF-、VDDA和VSSA,前面两个是ADC的参考电压,决定了ADC输入电压的范围,后面两个是ADC的供电引脚,一般情况下VREF+要接VDDA,VREF-要接VSSA,在stm32f103c8t6芯片上没有VREF+和VREF-引脚,在内部已经和VDDA和VSSA接在一起。VDDA和VSSA是内部模拟部分的电源,比如ADC、RC振荡器,锁相环等。在这里VDDA接3.3V,VSSA接GND,所以ADC的输入范围就是0~3.3V。 模数转换器执行逐次比较的过程,转换结果会放在数据寄存器,读取寄存器便可知道ADC转换的结果。 右边ADCCLK是ADC的时钟,适用于驱动内部逐次比较的时钟。 两个数据寄存器用于存放转换结果 对于STM32的ADC,触发ADC开始转换的信号有两种,一种是软件触发,在程序中手动调用一条代码就可以启动转换,另一种是硬件触发,即下图的触发源(上边是注入组,下边是规则组),这些触发源主要来自于定时器,有定时器的各个通道,还有TRGO定时器主模式的输出。定时器可以通向ADC、DAC这些外设,用于触发转换,由于ADC需要过一段固定时间转换一次,每隔1ms转换一次,正常的思路就是用定时器,每隔1ms申请一次中断,在中断里手动开启一次转换,但是频繁进中断对程序有一定影响,不同中断之间优先级不同,会导致某些中断无法得到及时相应,如果触发ADC转换的中断不能及时响应,那么ADC的转换频率会收到影响。 对于这种需要频繁进中断且只完成了简单工作的情况,一般会有硬件的支持。比如这里可以给TIM3定一个1ms的时间,并且把TIM3的更新时间选择TRGO输出,在ADC这里选择开始触发信号为TIM3的TRGO,这样TIM3的更新事件就可以通过硬件自动触发ADC转换,整个过程不需要进中断,节省了中断资源。这里还可以使用外部中断引脚来触发转换,可以在程序中进行配置。 ADC预分频器来自于RCC,APB2时钟72MHz,通过ADC预分频器进行分频,得到ADCCLK,最大是14MHz,这个预分频器可以选择2、4、6、8分频,如果选择2分频,72M/2=36M超出范围,4分频后是18M也超,对于ADC预分频器只能选择6分频就是12M和8分频就是9M这两个值。 上面的DMA请求,用于触发DMA进行数据的转运 模拟看门狗,里面可以存一个阈值搞限和阈值低限,如果启动了模拟看门狗并且指定了看门通道,那看门狗就会关注它看门的通道,一旦超过这个阈值范围,就会在上边申请一个模拟看门狗的中断,最后通向NVIC。 对于规则组和注入组,在转换完成之后也会有一个EOC转换完成的信号,在这里EOC是规则组完成的信号,JEOC是注入组完成的信号,这两个信号会在状态寄存器里置一个标志位,通过读取这个标志位可得知是不是转换结束。这两个标志位也可以取到NVIC申请中断,如果开启了NVIC对应的通道就会触发中断 ![]() ·左边是16个GPIO口(上)加两个内部通道(下) ·进入AD转换器,里边有规则组和注入组两个组,规则组最多可以选择16个通道,注入组最多可以选择4个通道,转换的结果可以存放在AD数据寄存器里,其中规则组只有1个数据寄存器,注入组有4个。 ·下边有触发控制,提供了开始转换这个START信号,触发控制可以选择软件触发和硬件触发,硬件触发主要是定时器,也可以选择外部中断的引脚。 ·底部右边是来自RCC的时钟CLOCK,ADC逐次比较的过程就是由这个时钟推动的。 ·在上面可以布置一个模拟看门狗用于检测转换结果的范围,如果超过设定的阈值,就会通过中断输出控制,像NVIC申请中断。 ·规则组和注入组转换完成之后会有个EOC信号,会置一个标志位,也会通向NVIC。 ·右下角处有一个开关控制,在库函数中就是ADC_Cmd函数,用于给ADC上电。 图中显示的是ADC通道和引脚复用的关系,这里有通道0~17,共18个通道,通道16对应ADC1的温度传感器,通道17对应ADC1内部的参考电压,只有ADC1有通道16和17,ADC2和ADC3是没有的。 GPIO的引脚中ADC1和ADC2是完全相同的,ADC3中间会有些变化,不过stm32f103c8t6这个芯片没有ADC3,所以后面部分无需理会。这里的引脚是PA0~PA7,PB0~PB1,PC0~PC5,由于芯片没有PC0~PC5,所以下面对应的通道也不存在, ![]() 如下图可见,ADC12_IN0对应的是PA0引脚,IN1对应PA1 引脚,IN2、3、4、5、6、7、8、9分别对应PA2~PB1, 所以这个芯片对应只能有16个外部输入通道, ADC12_IN0的意思是ADC1和ADC2的IN0都是在PA0上的,下边都是ADC12,说明ADC1和ADC2的引脚全都是相同的,既然相同,那么肯定有着他的特殊功能,叫做双ADC模式。 双ADC模式较为复杂,双ADC模式就是ADC1 和ADC2一起工作,可以配合组成同步模式、交叉模式。比如交叉模式,ADC1和ADC2 交叉着对一个通道进行采样,可以进一步提高采样率。ADC1和ADC2也可以分开使用,分别对不同引脚进行采样
对EOC标志位进行判断,如果转换完了,就可以在数据寄存器里读取转换结果,如果想再启动一次转换,就需要再出发一次,转换结束置EOC标志位,读取结果。如果想换一个通道转换,那么在转换之前,把第一个位置的通道2改成其他通道,再启动转换即可。 二、连续转换,非扫描模式非扫描模式,菜单列表只使用第一个。与前面单次转换不同的是,这个在一次转换结束之后不会停止,会立刻开始下一轮的转换,然后一直持续下去,只需最开始触发一次,之后便可以一直转换,这个模式的好处是开始转换之后不需要等待一段时间,因为一直都在转换,不需要手动开始转换,也无需判断是否结束,想读AD值的时候直接从数据寄存器取即可 三、单次转换,扫描模式单次转换,每触发一次,转换结束之后都会停下来,下次转换需再次触发才会开始。扫描模式会用到菜单列表,列表中每个位置是通道几可以任意指定,并且可以重复。在初始化结构体里面有个参数,就是通道数目,16个位置可以仅使用前几个,通道数目给7,那么只会看前七个位置,每次触发之后就对前七个位置进行AD转换,转换结果都放在数据寄存器里,为了防止数据被覆盖,需要用DMA及时将数据移走,7个通道转换完成之后,产生EOC信号,转换结束。 四、单次转换,扫描模式![]() 在第三个 单次转换 扫描模式 的基础上稍微变化,一次转换完成后,立刻开始下一次的转换,和上面非扫描模式的单次和连续是类似的。 在扫描模式的情况下,还有另一种模式叫间断模式,它的作用是在扫描过程中,每隔几个转换就暂停一次,需要再次触发才能继续。 触发控制
由于ADC是12位的,那么转换结果就是一个12位的数据,但是数据寄存器是16位的,那么就存在一个数据对齐的问题。 第一种是数据右对齐,就是数据向右靠,高位多出来的几位就补0 第二种事数据左对齐,12位的数据向左靠,低位多出来的几位补0 一般使用的都是第一种右对齐,这样的话读取16位的寄存器,直接就是转换结果 ,如果选择左对齐,直接读数据的话,得到的数据会比实际的大。数据左对齐实际上是将数据左移了4次,二进制有个特点,将数据左移一位,等效于将这个数据乘以2,这里左移了4位就相当于把结果乘上了16,直接读的话会比实际值大16倍。 左对齐的用途:如果不想要右对齐那么高的分辨率,如果觉得0~4095太大了,就做个简单的判断,选择左对齐,将数据的高八位取出来,这样便舍弃了后四位的精度,那么这个12位的ADC便退化成8位的ADC 转换时间转换时间的参数一般不太敏感,一般AD转换都很快,如果不需要非常高速的转换频率,那转换时间就可以忽略了。AD转换的时候需要花小段时间, 在AD转换的步骤中,有4步分别是采样、保持、量化、编码,其中采样和保持可以放一起,量化和编码也可以放一起,总共是两大步。 量化、编码就是之前ADC逐次比较的过程,比较花时间,一般位数越多花的时间越长。 采样、保持的作用在于,因为AD转换需要一小段时间,如果在这一小段时间里,输入的电压还在不断的发生变化,那么没法办定位输入电压到底在哪,在量化编码之前需要设置一个采样开关,打开采样开关收集外部电压,可以使用一个小容量的电容存储这个电压,存储好之后再断开采样开关,进行后面的AD转换,在量化编码的期间电压始终保持不变,以便精确的定位位置电压的位置。保持采样的过程需要闭合采样开关,过一段时间再断开,这期间会产生一个采样时间 这个采样时间引申出了一个公式,ADC总采样时间为 ADC周期就是从RCC分频过来的ADCCLK,这个ADCCLK最大是14MHz,图中下边有个例子,当ADCCLK=14MHz时,采样时间为1.5个ADC周期, 这个校准过程是固定的,我们只需要在ADC初始化的最后,加几条代码即可,详细的计算和校准方式可不管,了解即可 硬件电路
第二个是传感器产生可调电压的电路,一般来说像是光敏电阻、热敏电阻、红外接收管、麦克风等,都可以等效为一个可变电阻,由于可变电阻没法测量,可以通过和一个固定电阻串联分压,得到一个反映电阻值电压的电路。当传感器阻值变小时,下拉作用变强,输出端电压下降,传感器阻值变大时,下拉作用变弱,输出端受上拉电阻的作用,电压就会升高,固定电阻一般可选择和传感器阻值相近的电阻,以便于得到一个中间区域电压比较好的输出。传感器和固定电阻的位置也可以交换,不过输出电压的极性将会因此相反。 第三个是一个简单的电压转换电路,比如想测一个0~5V的VIN电压,但是ADC只能接收3.3V的电压,可搭建一个如上图所示的简易电路,使用电阻进行分压,上边阻值17k,下边阻值33k,加起来是50k,根据分压公式,中间的电压就是VIN/50*33,得到的电压范围就是0~3.3V,可以进入ADC转换,如果想采集5V、10V的电压可以使用这些电路,但是电压过高不建议使用这种电路,比较危险,简易使用一些专用的采集芯片,比如隔离放大器等等,做好高低电压的隔离,保证电路的安全 接线图
这个模式的好处是不需要连续触发,也不需要等待转换完成的。在AD.c的代码中稍作修改,将下列函数改成enable ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;连续转换模式只需要在一开始时触发一次即可,所以软件触发的函数可以挪到初始化的最后,在初始化完成之后触发一次即可。这时内部的ADC就会一次接着一次、连续不断的对我们指定的通道0进行转换,将结果存放在数据寄存器里,此时数据寄存器会不断刷新最新的转换结果,所以在AD_Getvalue里面就不需要判断标志位了,直接返回数据寄存器的值就行 这种模式的好处是对CPU占用更小,不需要一直调用 uint16_t AD_GetValue(void) { return ADC_GetConversionValue(ADC1); //返回值是ADC1的转换结果 } AD多通道 接线图可以通过单次转换非扫描模式 来实现多通道,只需要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即可。比如第一次转换先写入通道0之后触发、等待、读值,第二次转换再把通道0改成通道1,之后触发、转换、读值,第三次转换再改成通道2等等。在转换前先指定通道再启动转换,以此实现多通道转换的功能。 这里的函数将选择通道的代码放到这里,并将传入参数改为指定的通道,这样调用函数时返回值就是指定参数的结果。 uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel) { //选择规则组的输入通道 ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel,1,ADC_SampleTime_55Cycles5); ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);//软件触发转换函数 while(ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC) == RESET);//第二个参数 规则组转换完成标志位 return ADC_GetConversionValue(ADC1); //返回值是ADC1的转换结果 }由于使用的通道是0、1、2、3,所以前面的初始化也需要开启对应的GPIO main.c部分的代码 #include "stm32f10x.h" // Device header #include "Delay.h" #include "OLED.h" #include "AD.h" uint16_t AD0,AD1,AD2,AD3; int main() { 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(10); } }烧录完成之后,四个通道可以分别接收不一样的ADC |
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