【stm32】ADC的介绍与使用

ADC的介绍与使用

1、ADC介绍
2、逐次逼近型ADC
3、ADC电路
4、ADC基本结构
- 程序代码编写：
- ADC 通道和引脚复用的关系
5、转换模式
- （1）单次转换，非扫描模式
- - 转换流程：
  - 程序编写：
- （2）连续转换，非扫描模式
- - 程序编写：
- （3）单次转换，扫描模式
- - 程序编写：
- （4）连续转换，扫描模式
6、数据对齐
7、转换时间
8、ADC校准
9、ADC使用的几种硬件电路

1、ADC介绍

ADC（Analog-Digital Converter）模拟-数字转换器
ADC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
- 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，所以如果想读取电压值，就需要借助ADC模数转换器来实现，ADC读取引脚上的模拟电压，转换为一个数据，存在寄存器里，再把这个数据读取到变量中，就可以进行显示、判断、记录等等操作
- ADC可以将模拟信号转换为数字信号，是模拟电路到数字电路的桥梁
12位逐次逼近型ADC，1us转换时间

两个重要参数：
- 分辨率：一般用多少位来表示，12位AD值，它的表示范围就是0 - (2^12-1)，量化结果的范围是0~4095，位数越高，量化结果越精细，对应分辨率越高；
- 转换时间：1us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，1MHZ为STM32 ADC的最快转换频率
输入电压范围：0_{3.3V，转换结果范围：0}4095
- 0V对应AD值为0，3.3V对应AD值4095，电压值与AD值呈线性关系
18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源
- 16个外部信号源：16个GPIO口，引脚可直接接模拟信号测电压（指的是芯片有16个，由于C8T6引脚较少，只有10个）；
- 2个内部信号源：内部温度传感器(可测量CPU的温度)和内部参考电压(1.2V左右基准电压，不随外部供电电压变化而变化，若芯片的供电不是3.3V，测量外部引脚的电压便会不正确，此时可以读取基准电压进行校准，即能得到正确的电压值)。
规则组和注入组两个转换单元
模拟看门狗自动监测输入电压范围
- 模拟看门狗监测指定的某些通道，当AD值高于它设定的上阈值或者低于下阈值时，看门狗申请中断,此时可以在中断函数里执行相应的操作
STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道
- 10个外部输入通道：最多只能测量10个外部引脚的模拟信号

2、逐次逼近型ADC

在这里插入图片描述

IN0~IN7：8路输入通道，通过通道选择开关，选中一路，到输出点进行转换；
地址锁存和译码：选中的通道，把通道号放到ADDA、ADDB、ADDC这三个脚上，之后给一个锁存信号（ALE），对应的通路开关即可打开；
电压比较器：判断两个输入信号电压（待测电压和DAC电压）的大小关系，如果DAC输出的电压较大，调小DAC数据，如果DAC输出的电压较小，增大DAC数据，直到DAC输出的电压和外部通道输入的电压近似相等，就可得到DAC输入的数据，DAC输入的数据又是外部电压的编码数据；
DAC（数模转换器）：输入一个数据，输出数据对应的电压；
EOC（End OfConvent）：转换结束信号；
START：给一个输入脉冲，开始转换；
VREF+、VREF-：DAC/ADC的参考电压

3、ADC电路

在这里插入图片描述

IN0-15—>GPIO端口—>模拟多路开关—>输出到模数转换器(逐次比较)—>转换结果存入到数据寄存器中—>读取寄存器可知ADC转换结果
普通ADC：多路开关一般都是只选中一个，即选中某一个通道、开始转换、等待转换完成，取出结果
高级ADC：可同时选中多个

4、ADC基本结构

在这里插入图片描述

程序代码编写：

步骤：
1、开启RCC时钟，包括ADC和GPIO时钟，ADCCLK的分频器配置
2、配置GPIO，把需要用的GPIO配置成模拟输入的模式
3、配置多路开关，把左边的通道接入到右边的规则组列表里
4、配置ADC转换器，使用库函数结构体配置
5、开关控制，调用ADC_Cmd函数，开启ADC

ADC 通道和引脚复用的关系

在这里插入图片描述

双ADC模式：ADC1和ADC2一起工作，可以配合组成同步模式、交叉模式等模式；
交叉模式：ADC1和ADC2交叉地对一个通道进行采样，可以进一步提高采样率；

5、转换模式

（1）单次转换，非扫描模式

只转换一次，每次只有一个通道，读取EOC标志位的值为1时，读取结束，此时可读取ADC的值

转换流程：

1、软件触发转换
2、等待转换完成
3、读取ADC数据寄存器

程序编写：

// 单通道AD转换
// AD.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
// 单次转换，非扫描模式    
void AD_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);  // 72M/6 = 12M// 初始化PA0为模拟输入的引脚GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;  // 模拟输入模式 在AIN模式下，GPIO口是无效的GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//     在规则组菜单列表的第一个位置，写入通道0 , 55.5 + 12.5 = 68个ADC周期ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);// 选择规则组输入通道ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;         // ADC 模式---独立模式ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;     // 数据对齐---右对齐ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;// 外部触发转换选择（触发控制的触发源）---软件触发ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;     // 连续转换模式---单次转换ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;            // 扫描转换模式---非扫描模式ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;                    // 通道数目ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 开启ADC// ADC校准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
}// 启动转换，获取结果
uint16_t AD_GetValue(void)
{ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);  // 软件触发转换// 等待时间5.6us， (1/12M)*68个ADC周期 = 5.6uswhile (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);// 等待转换完成return ADC_GetConversionValue(ADC1);  // 读取ADC数据寄存器
}// main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"uint16_t ADValue;
float Voltage;
/*AD采样值来回抖动解决方法：1、迟滞比较方法：如开关灯，设置两个阈值，低于下阈值时，开灯，高于上阈值时，关灯2、滤波方法：均值滤波，读10个或20个值，取平均值，作为滤波的AD值，
*/
// 
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;  //     AD值转换成电压OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4);OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1);OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100, 2); // 显示小数部分Delay_ms(100);}
}

（2）连续转换，非扫描模式

起始触发一次，后续可持续转换，需要ADC的值时直接读取即可

程序编写：

// 单通道AD转换
// AD.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
// 连续转换，非扫描模式    
void AD_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);  // 72M/6 = 12M// 初始化PA0为模拟输入的引脚GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;  // 模拟输入模式 在AIN模式下，GPIO口是无效的GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//     在规则组菜单列表的第一个位置，写入通道0 , 55.5 + 12.5 = 68个ADC周期ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);// 选择规则组输入通道ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;         // ADC 模式---独立模式ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;     // 数据对齐---右对齐ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;// 外部触发转换选择（触发控制的触发源）---软件触发ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;     // 连续转换模式---单次转换ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;            // 扫描转换模式---非扫描模式ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;                    // 通道数目ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 开启ADC// ADC校准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ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);  // 软件触发转换 --开始时触发一次即可，后续内部ADC会持续转换
}// 启动转换，获取结果
uint16_t AD_GetValue(void)
{return ADC_GetConversionValue(ADC1);  // 读取ADC数据寄存器
}
// main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "AD.h"uint16_t ADValue;
float Voltage;
/*AD采样值来回抖动解决方法：1、迟滞比较方法：如开关灯，设置两个阈值，低于下阈值时，开灯，高于上阈值时，关灯2、滤波方法：均值滤波，读10个或20个值，取平均值，作为滤波的AD值，
*/
// 
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;  //     AD值转换成电压OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4);OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1);OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100, 2); // 小数部分Delay_ms(100);}
}

（3）单次转换，扫描模式

触发一次，转换结束就停止，下次转换需要再触发才能开始，可一次转换7个通道，7个通道转换完成后，产生EOC信号，转换结束
ps: 使用单次转换，非扫描模式实现多通道转换：在每次触发转换之前，先指定一下通道，再启动转换

程序编写：

// AD.c
// 多通道AD转换
#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid 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;ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;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);
}// param:ADC_Channel 指定转换的通道
uint16_t AD_GetValue(uint8_t ADC_Channel)
{ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); // 改变ADC通道ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}
// main.c
#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){// 获取AD值之前先改变通道AD0 = AD_GetValue(ADC_Channel_0);    // 获取通道0的AD数据AD1 = AD_GetValue(ADC_Channel_1);    // 获取通道1的AD数据AD2 = AD_GetValue(ADC_Channel_2);    // 获取通道2的AD数据AD3 = AD_GetValue(ADC_Channel_3);    // 获取通道3的AD数据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);}
}

（4）连续转换，扫描模式

有多个通道，一次转换完成继续下一次转换且可以转换多个通道

ps：配合DMA使用

6、数据对齐

数据右对齐：（常用）
- 12位数据向右靠，高位多出的位数补0
数据左对齐：
- 12位数据向左靠，低位多出的位数补0

在这里插入图片描述

7、转换时间

AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码
- 采样，保持：AD转换中，量化，编码需要小部分时间，在这段时间中输入的电压在不断变化，不能具体到输入电压的值，需要在量化编码前，设置采样开关，打开采样开关，采集外部电压，用一个小容量的电容存储这个电压，存储完成之后，断开采样开关，再进行后面的AD转换，这样在量化编码的期间，电压始终保持不变，才能精确地定位未知电压的位置，这就是采样保持电路，采样保持的过程，需要闭合采样开关，过一段时间再断开，会产生一个采样时间。
- 量化，编码：ADC逐次比较的过程
STM32 ADC的总转换时间为：
T(conv) = 采样时间 + 12.5个ADC周期
- 采样时间：采样保持花费的时间，在程序中配置（采样时间越大，越能避免一些毛刺信号的干扰，转换时间也会相应延长）
- 12.5个ADC周期：是量化编码花费的时间（因为是12位的ADC，所以需要花费12个周期），ADC周期是从RCC分频过来的ADCCLK（最大14MHz）
例如：当ADC(clk)=14MHz，采样时间为1.5个ADC周期
T(conv) = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期 =1μs
(1/14M)*14个ADC采样周期 = 1μs

8、ADC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

校准过程为固定的，只需要在ADC初始化的最后，加几条代码即可

9、ADC使用的几种硬件电路

在这里插入图片描述 1、电位器产生可调电压的电路：一个电位器产生一个可调的电压，电位器的两个固定端，一端接3.3V，另一端接GND，中间的滑动端可输出一个0~3.3V可调的电压输出，滑动端接ADC的输入通道，向上滑动，电压增大，反之减小
2、传感器输出电压电路：N1可以是光敏电阻、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，此时电阻值无法直接测量，可以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，传感器（N1）阻值变小时，下拉作用变强，输出端（PA1）电压就下降，传感器（N1）阻值变大时，下拉作用变弱，输出端（PA1）受上拉电阻的作用，电压就会升高，固定电阻（R1）一般可以选择和传感器阻值相近的电阻，这样可以得到一个位于中间电压区域比较好的输出，图2传感器和固定电阻的位置也可以交换，此时输出电压的极性相反，这就是这个分压方法来输出传感器阻值的电路。
3、电压转换电路：例如要测一个0-5V的VIN电压，但ADC只能接收0-3.3V的电压，可以使用如上的电压转换电路，使用电阻进行分压，R1+R2 = 50k，根据分压公式，中间端的电压=VIN / 50k x 33k，最后得到的电压范围就是0~3.3V，即可进入ADC转换。