Cortex-M4-模数转换器

模数转换器概述

模数转换器用途

MCU(单片机)种只能处理数字量，但当外界输入模拟量信号时，单片机会通过模数转换器将模拟量信号转化成数字量信号供MCU处理，并且当MCU需要区分多种输入信号时，需要模数转换转换器多通道采集信号，转换成数字量给MCU。

模数转换器原理

模数转换器分为两个步骤： 采样+转换。
ADC:模数转换
ADC:将连续的模拟量转换成离散的数字量
DAC:数模转换
DAC:将离散的数字量转换成连续的模拟量

需要考虑的参数：价格量程精度灵敏度误差分辨率………
分辨率:最小单元

示例：传感器测量电压（0~3.3v） 12位的测量值=1000 电压值=??
(1/2^12) x 3.3 x 1000= 0.8056640625v

例如：转换时间=20us 频率:15MHz 采样周期=?
一个周期：1/15 us
总时间：20us
采样周期：20/(1/15)=300周期

分两种模式： 并联比较型+逐次逼近型

并联比较型：
该种类型会将参考电压进行分压，并与模拟电压进行比较，输出比较相近的分压值的有效信号，其优缺点是转换比较快，数据不准确，数据较多较快时容易出问题。

由三个部分组成，分压电路+比较器+编码器
E：参考电压
Ux：模拟电压
举例：E=8V，Ux=3V, C比较器就会发现参考电压和模拟电压值相等，C有机会输出有效信号，最终编码器输出数字量3.

逐次逼近型：
转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui<uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui>uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。其优缺点是转换速度较慢，数据准确。

STM32的模数转换器

STM32的模数转换器简介

在我所学的401xE系列种只有一个ADC（ADC1）挂靠在APB2（84MHz）.
12 位 ADC 是逐次趋近型模数转换器。它具有多达 19 个复用通道，可测量来自 16 个外部源、两个内部源和 VBAT 通道的信号。这些通道的 A/D 转换可在单次、连续、扫描或不连续采样模式下进行。 ADC 的结果存储在一个左对齐或右对齐的 16 位数据寄存器中。
19 个复用通道=16个外部（IO）+2个内部+1个Vbat
2个内部:
IN16—>温度检测
IN17—>参考电压检测（VREF）

ADC电源部分（独立电源）：

器件的工作电压在1.8v~3.6v之间

为了提高转换精度， ADC 配有独立电源，可以单独滤波并屏蔽 PCB 上的噪声。
● ADC 电源电压从单独的 VDDA 引脚输入。
● VSSA 引脚提供了独立的电源接地连接。

模数转换器主要特性

可配置12位、10位、8位或6位分辨率
●在转换结束、注入转换结束以及发生模拟看门狗或溢出事件时产生中断
●单次和连续转换模式
●用于自动将通道 0 转换为通道“n”的扫描模式
●数据对齐以保持内置数据一致性
●可独立设置各通道采样时间
●外部触发器选项，可为规则转换和注入转换配置极性
●不连续采样模式
●双重/三重模式（具有 2 个或更多 ADC 的器件提供）
●双重/三重 ADC 模式下可配置的 DMA 数据存储
●双重/三重交替模式下可配置的转换间延迟
●ADC 转换类型（参见数据手册）
●ADC 电源要求：全速运行时为 2.4 V 到 3.6 V，慢速运行时为 1.8 V
●ADC 输入范围： VREF- ≤ VIN ≤ VREF+
●规则通道转换期间可产生 DMA 请求

模数转换器的框架

16个外部通道可由GPIO口来采集模拟信号，也可通过定时器外部通道或外部中断线采集信号。

模数转换器功能说明

时钟：
ADC的电源要求：1.8~2.4v慢速运行 2.4~3.6v全速运行
ADC具有两个时钟方案：
1）数字接口时钟
APB2，使能/禁止使能ADC的时钟
2）模拟电路时钟（ADCCLK）
框图内描述的时钟、来自于APB2（84MHz）时钟，预分频器允许 ADC 在 fPCLK2/2、/4、 /6 或 /8 下工作。

选用慢速运行：最大允许时钟频率18MHz,ADCCLK最少进行6分频
选用快速运行：最大允许时钟频率36MHz,ADCCLK最少进行4分频

通道选择

规则转换： 如果有多个通道待转换、按照原设置的顺序（规则通道序列）进行一一转换
注入转换： 类似中断事件、有注入触发需要立马进行转换(优先转换)，类似于中断
注入转换有多个时也是需要一一排队按照顺序转换
注：

一个规则转换组最多由 16 个转换构成。必须在 ADC_SQRx 寄存器中选择转换序列的规则通道及其顺序。规则转换组中的转换总数必须写入ADC_SQR1 寄存器中的L[3:0] 位。
一个注入转换组最多由 4 个转换构成。必须在 ADC_JSQR 寄存器中选择转换序列的注入通道及其顺序。注入转换组中的转换总数必须写ADC_JSQR 寄存器中的L[1:0] 位。

单次转换模式

CONT=0可进入单次模式、ADC执行一次转换、以下方式可触发转换
1）将 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTART 位置 1（仅适用于规则通道）
2）将 JSWSTART 位置 1（适用于注入通道）
3）外部触发（适用于规则通道或注入通道）
完成转换所选通道后
规则通道
1）数据放到ADC_DR寄存器中
2） EOC转换标志置1
3） EOCIE位置1可产生中断
注入通道
1）数据放到ADC_JDR寄存器中
2）JEOC转换标志置1
3）JEOCIE位置1可产生中断
完成上述操作ADC停止

连续转换模式

在连续转换模式下，ADC 结束一个转换后立即启动一个新的转换。CONT 位为 1 时，可通过
外部触发或将 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTRT 位置 1 来启动此模式（仅适用于规则通道）。
每次转换之后：
● 如果转换了规则通道组：
— 上次转换的数据存储在 16 位 ADC_DR 寄存器中
— EOC（转换结束）标志置 1
— EOCIE 位置 1 时将产生中
注：无法连续转换注入通道。连续模式下唯一的例外情况是，注入通道配置为在规则通道之后自
动转换（使用 JAUTO 位）

扫描模式

通过将 ADC_CR1 寄存器中的 SCAN 位置 1 来选择扫描模式。将此位置 1 后， ADC 会扫描
在 ADC_SQRx 寄存器（对于规则通道）或 ADC_JSQR 寄存器（对于注入通道）中选择的所有通道。为组中的每个通道都执行一次转换。每次转换结束后，会自动转换该组中的下一个通道。如果将CONT 位置 1，规则通道转换不会在组中最后一个所选通道处停止，而是再次从第一个所选通道继续转换

不连续采样模式

可将 ADC_CR1 寄存器中的 DISCEN 位置 1 来使能此模式。该模式可用于转换含有 n (n ≤8)个转换的短序列，该短序列是在 ADC_SQRx 寄存器中选择的转换序列的一部分。可通过写
入 ADC_CR1 寄存器中的 DISCNUM[2:0] 位来指定 n 的值
例：
IN1 IN3 IN4 IN6 IN8
不连续采样:把长序列分为多个短序列
n—>一个短序列中的通道数
例如:n=3
第一次转换:IN1 IN3 IN4
第二次转换:IN6 IN8 EOCS

采样时间

ADC 会在数个 ADCCLK 周期内对输入电压进行采样，可使用 ADC_SMPR1和ADC_SMPR2寄存器中的 SMP[2:0] 位修改周期数。每个通道均可以使用不同的采样时间进行采样
例：计算温度传感器的采样周期

采样时间（Ts_temp） = 10us，时钟频率 = 21MHZ
则采样周期 = 10us/(1/21) = 210
在ADC_SMPR1的18~20位写入一个大于210周期的值
读取温度
温度（单位为 °C）= {(VSENSE — V25) / Avg_Slope} + 25
其中：
V25 = 25 °C 时的 VSENSE 值（VSENSE 为获得相应传感器的电压值）
VSENSE = （3.3xADC获取的值）/4096
Avg_Slope = 温度与 VSENSE 曲线的平均斜率（以 mV/°C 或 μV/°C 表示）

模数转换相关寄存器

配置流程：

打开时钟（ADC1）
打开温度传感器
扫描模式
不连续采样模式&n值
分辨率
转换模式（单次连续）
转换结束标志（EOCS）
数据对齐
采样周期
转换顺序
转换总数
分频
使能ADC
读数据函数
1）开启转换通道
2）读取转换完成标志位
3）读取数据寄存器

void ADC_Config(void)
{/**************************寄存器法***************************************************************/
//  RCC->APB2ENR |= (1<<8);       //打开ADC1时钟
//  ADC->CCR |= (1<<23);          //打开温度传感器
//  ADC1->CR1 &= ~(1<<8);         //扫描模式
//  ADC1->CR1 &= ~(3<<24);        //12位分辨率
//  ADC1->CR2 &= ~(1<<1);         //单次转换模式
//  ADC1->CR2 |= (1<<10);         //结束转换选择
//  ADC1->CR2 &= ~(1<<11);        //右对齐
//  ADC1->SMPR1 |= (7<<18);       //采样时间 480周期
//  ADC1->SQR1 &= ~(0xf<<20); //转换总数 1
//  ADC1->SQR3 |= (0x10<<0);  //转换序列第一次转换
//  ADC->CCR |= (1<<16);          //4分频
//
//  ADC1->CR2 |= (1<<0);          //使能ADC/**************************库函数法***************************************************************/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);   //打开ADC1时钟ADC_InitTypeDef ADC1_InitTypeDef;ADC1_InitTypeDef.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;              //单次转换模式ADC1_InitTypeDef.ADC_NbrOfConversion = 1;                                  //转换总数 1ADC1_InitTypeDef.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;          //12位分辨率ADC1_InitTypeDef.ADC_DataAlign =  ADC_DataAlign_Right;     //右对齐ADC1_InitTypeDef.ADC_ScanConvMode = DISABLE;                          //结束转换选择ADC_Init(ADC1,&ADC1_InitTypeDef);ADC_CommonInitTypeDef ADC1_CommonInitTypeDef;ADC1_CommonInitTypeDef.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;       //禁止DMAADC1_CommonInitTypeDef.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;                                     //独立模式ADC1_CommonInitTypeDef.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;  //两个采样之间的时间ADC1_CommonInitTypeDef.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;  //4分频ADC_CommonInit(&ADC1_CommonInitTypeDef);ADC_TempSensorVrefintCmd(ENABLE);                                                      //打开温度传感器ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_16,1,ADC_SampleTime_480Cycles);//通道16 采样时间 480周期  转换序列第一次转换ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);                                                                             //使能ADC
}

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