文章目录

一、ADC基础知识
- 1.1 ADC 简介
- 1.2 为什么需要 ADC
- 1.3 ADC的历史由来
- - 逐次渐进型(SA)ADC
- 1.4 A/D转换器的一些技术指标
- 1.5 ADC转换基本原理
二、STM32的ADC
- 2.1 引入例子ADC0809（粗略了解）
- 2.2 stm32f103 ADC基本特性
- 2.3 stm32f103 ADC框图
- 2.4 ADC工作模式
- 2.5 相关寄存器
- 2.6 ADC转换时间计算
三、STM32 ADC编程
- 3.1 测量3.3V引脚电压

一、ADC基础知识

1.1 ADC 简介

ADC 模数转换器，Analog-to-Digital Converter的缩写，通常是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的电子元件。

1.2 为什么需要 ADC

微控制器MCP是离散的数字器件，而实际的物理信号时连续模拟的，如温度、湿度、压力、速度等等。
通过传感器将带测量的模拟信号转换成电信号，而这个电信号也是连续的模拟量。
所以为了便于MCU处理数据，我们通过模拟-数字转换器ADC将传感器的连续的模拟电信号转换成离散的数字电信号。

数据采集系统如下图所示，ADC为核心。

数据采集系统由模拟信号采集，A/D转换、数字信号处理三大部分组成。

1.3 ADC的历史由来

二元权重取水法
如18世纪的二元权重取水法，就运用了模拟量转数字量的思想。

用8倍，4倍，2倍，1倍不同粗细的管子在在池子边上凿开许多眼。取水的时候把水量转化成数据，然后堵上一些管子，留下一些管子，放指定长的时间，就得到了一定分数的水。这也是一个模拟量变成数字量的过程。显然，给水的精度就是最细的那根管子放单位时间的水量。比这个更小的水量就忽略不记了，即把它当作误差了。
天平称重
联系现实，我们用天平称量重量也用到这种思想。
我们在做某些化学实验需要称量一定重量的物品，我们会使用到天平秤。称量时我们使用到砝码去称量所需物品的重量。我们需要多少克的物品，我们就放相应重量的砝码。（这里假设我们只用一种重量的砝码）
例如：只使用5g的砝码，称量40g的NaCl,这时我们就需要8个5g的砝码。
由上例，如果我们需要42g的NaCl，用5g的砝码就测量不出来。显然用5g砝码称量5的倍数的重量的物品才精确。
这时我们引出精度的概念，我们称量物品的精度就是最小重量的砝码确定的。如果我们使用1g的砝码，我们就能够准确称量1的倍数的重量的物品。
1-bit ADC

1bit ADC就是运用一个比较器来判断电压大小。
例：电压范围是0-3.3V,参考电压Uref=1.68V。输入电压Uin>Uref,就得到逻辑1，输入电压Uin<Uref,就得到逻辑0。
2-bit ADC

我们把输入电压给到3个电压比较器的比较端，3个电压比较器分别使用3个不同的参考电压Uref作为阈值。于是，我们电压就在这4个区间之中的一个区间中。我们把这4个区间识别成00、01、10、11。
提问：如果电压在Rank2,那么Uout1=？Uout2=？Uout3=？
Uout1=1，Uout2=1，Uout3=0
输出了 3个bit 的数据，而我们需要 2bit 的数据，这时我们就还需一个编码电路把这 3bit 的输出转化为对应的 2bit 的输出才形成我们的2bit ADC。
可见，一个完整的2bit ADC就由3个比较器，1个编码电路组成的。
结构原理最简单的ADC(n-bit ADC):FLASH ADC

由这种利用电压比较器的思想做出来的ADC就是FLASH ADC。
这种比较器优点是很快速。
缺点是电路复杂。精度越高，电路越复杂。
比如说我们要一个12bit精度，我们就需要2^12-1=4095的比较器放在一起工作。这样占用空间就大，连接复杂。

由上可见，FLASH ADC想法很简单，但是却实现困难。我们就转换思路，想想有没有其他方式实现ADC。

Counting ADC

如图：将600KHz的CLOCK100分频，作为脉冲取样频率（6kHz）。仅当脉宽PULSE WIDTH MODULATOR为逻辑1的时候，与门输出1。后面的计数器COUNTER就在这个时间宽度内数一数有多少个逻辑1，即有多少个窄高脉冲。这个计数值就量化了这个脉冲信号的宽度。脉冲信号的宽度与输入脉冲的幅度相关。于是就实现了对模拟输入电压的数字量化。

逐次渐进型(SA)ADC

类比猜数字游戏，给一个数字7让你猜。你猜是8，提示高了。你猜是6，提示猜低了。你猜7，对了。
逐次渐进型ADC就是类似于猜数字的思想。
猜一个数，我们先用DAC将数字还原成一个模拟电压值，与输入电压值比较。比较器告诉我们是大了，还是小了。然后我们在产生一个数，比较器再告诉我们是大了还是小了。猜的次数越多，就越逼近真实值。
逐次渐进型ADC就是一次次的去猜模拟电压，不断逼近真实的模拟电压。
例如下图：假设X = 45,去猜数字X。

下图是4bits的逐次渐进型ADC的一次猜数字过程。

逐次渐进型ADC用时间换取了空间，通过多次进行比较(时间) 去换取多个比较器并行起来去比较(空间)。

在输入端加个电容，可以用来加强输入电压的稳定性。

1.4 A/D转换器的一些技术指标

分辨率（Resolution，可以理解为猜数的次数n,n越大越精确）
分辨率Resolution = 2ⁿ。
分辨率是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2^n的比值。通常以数字信号的位数来表示。显然A/D转换器的位数越多，分辨最小模拟电压的值就越小。
如一个最大输入电压为5V的8位A/D转换器，所能分辨的最小输入电压变化量为5V / 2⁸ = 19. 53mV。而同样输入电压大小的10位A/D转换器，分辨的最小输入电压变化量为5V / 2¹⁰= 4. 88mV。
转换时间
转换时间是指完成一次转换所用的时间。即从发出转换控制信号开始，直到输出端得到稳定的数字输出为止所用的时间，通常为微秒级。
一般约定，转换时间大于1ms的为低速，1ms~ 1μs的为中速，小于1μs的为高速，小于1 ns的为超高速。
转换速率(Conversion Rate)
转换时间的倒数称为转换速率。即每秒转换的次数。
例如ADC0809的转换时间为100μs，则转换速率为每秒1万次。
相对精度。
相对精度是指A/D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。

1.5 ADC转换基本原理

AD转换中通常要完成采样保持和量化编码两个内容。(采样保持的时间取决于量化编码的算法）

采样保持

图解:f(t)作为输入，采样器在一个高脉冲到来时进行采样（即闭合开关）。
量化编码（模/数转换的核心）
1.量化：将取样电压表示为最小数量单位（∆）的整数倍
2.编码：将量化的结果用代码表示出来(二进制，十进制)
3.量化误差：当采样电压不能被∆整除时,将引入量化误差
常见的量化编码技术有:计数式转换、双积分式转换、逐次逼近式转换、并联式转换等。

图解：输入0-1V的信号，用3位二进制数表示。常见思路，量化得到 ∆=1/8；编码就是对每一段区间的电压用二进制代码标识。量化误差是∆。

二、STM32的ADC

2.1 引入例子ADC0809（粗略了解）

IN7-IN0：8路模拟量输入线。
D7-D0：8位数字量输出线。
ADDC- ADDA：3位地址线，用来选通8路模拟通道中的一路。
ALE：地址锁存允许，在ALE的上升沿,ADDC、ADDB、ADDA三位地址信号被锁存到地址锁存器。

START：启动转换的信号,正脉冲有效。地址锁存后，在该引脚加一正脉冲，该脉冲的上升沿使所有内部寄存器清零，从下降沿开始进行A/D转换。如果在转换过程中，接到新的启动信号，则原来的转换进程被中止。

CLOCK：时钟信号，输入线。时钟越高，转换的速率越快。

EOC：转换结束信号,高电平有效,输出。当该信号为低电平时,表明ADC 0809已准备开始转换，或正在转换进行之中，不能提供一个有效的稳定的数据。当EOC变为高电平时，表示转换己经结束，A/D转换器可提供有效数据。EOC可作为被查询的状态信号,亦可用于申请中断。ADC 0809转换一次共需64个时钟CLOCK周期。

OE：输出允许。当OE为高电平时打开输出三态缓冲器，使转换后的数据进入数据总线。
V_REF(+) 、V_REF(-)：基准电压输入。-般应用情况下，VEF(+)接+5V, 而VEF(:)与GND相连。

2.2 stm32f103 ADC基本特性

●STM32F103单片机一般有3个ADC,每个ADC是 12位分辨率 的逐次逼近型的ADC。
●每个ADC共有16个外部通道(单片机的ADC输入引脚)，ADC1有两个内部通道:内部温度通道、参考电压 V_REFINT 通道。
●ADC供电要求: 2.4V 到 3.6V
●ADC输入范围: V_REF- ≤ V_IN ≤ V_REF+
●自校准
●单次和连续转换模式
●从通道0到通道n的自动扫描模式
●采样间隔可以按通道分别编程
●ADC转换时间:
STM32F 103xx增强型产品:
APB2时钟为56MHz,4分频时为1μs
APB2时钟为72MHz,6分频时为1.17μs
●规则通道转换期间有DMA请求产生。
●转换结束、注入转换结束和发生模拟看门狗事件时产生中断

●规则转换和注入转换均有外部触发选项
●双重模式(带2个或以上:ADC的器件)

2.3 stm32f103 ADC框图

电压输入范围。
ADC电源：V_DDA接3.3V，V_SSA接GND
ADC参考电压：2.4V ≤ V_REF+ ≤ V_DDA ; V_REF- = V_SSA
注意:V_DDA不能高于3.3V。输入电压范围ADCx_IN应是0 ~ 3.3V。
输入通道。
ADCx_IN0 ~ ADCx_IN15 这16个外部通道（即输入口）可以采集模拟电压信号。
看框图标号2的旁边还有两个内部通道：一个是内部温度通道，另一个是内部参考电压 V_REFINT 通道。(只有ADC1有)
转换顺序。
16个输入通道可以分为两组：注入通道，规则通道。
规则通道（最多16个）：平民通道，规规矩矩。
注入通道（最多4个）：VIP通道，可以插队。规则通道在执行转换时，注入通道有需要转换时，可以抢断规则通道的转换，优先进行转换。

常规转换扫描模式：
我们定义一个规则组(即定义了通道扫描的顺序)，根据规则组顺序扫描。
注入转换扫描模式(VIP模式)：
在常规转换扫描的过程中，注入组来了个触发信号，就打断常规组的转换扫描然后进行注入组的转换扫描，注入组完成转换扫描之后，产生中断信号，回到常规转换扫描。
ADC触发源：软件触发，事件触发。
软件触发：ADC_CR2：ADON、SWSTART、JSWSTART
外部事件触发：内部定时器/外部IO
选择: ADC_ CR2 :EXTSEL[2:0]和JEXTSEL[2:0]
激活: ADC_ CR2 :EXTTRIG和JEXTTRIG
时钟源ADCCLK 。
ADCCLK，最大为14MHz。
ADCCLK 由APB2提供，经分频2/4/6/8 得到ADCCLK。
通常来说，APB2为72MHz，由于ADCCLK 最大为14M，我们可以6分频得到比较高的ADCCLK=72/6=12MHz。
根据组的不同，将数据存储在不同的16位数据寄存器当中。
规则组就对应放到规则组寄存器，注入组对对应放到注入组寄存器。
因为ADC分辨率时12位，只是用到数据寄存器的12位，所以会有左对齐，右对齐的问题。
规则数据寄存器只有一个，多通道采集的时候处理不当可能会出现数据覆盖问题，故规则多通道采集时多会使用DMA。
中断。
如果开启中断，且对应的中断标志位置位可以触发中断。
转换结束标志EOC(End Of Convert)，注入转换结束标志JEOC，模拟看门狗事件标志AWD。

总结

2.4 ADC工作模式

单次转换模式
单次转换模式里，ADC只执行一次转换。
此模式可通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位(只适用于规则通道) 或通过外部触发启动(适用于规则通道或注入通道)启动，这时CONT位为0。
连续转换模式
在连续转换模式中，当前面ADC转换一结束马上就启动另一次转换。
此模式可通过设置ADC_CR2寄存器上的ADON位或通过外部触发启动，此时CONT位是1。
中断模式
略

单次/连续转换与单/多通道扫描结合

应用：

单通道单次转换
■ 对一个通道进行一次转换，然后ADC停止
■ 应用举例:启动系统功能之前测量电压
多通道单次转换
■ 对多个通道进行逐个的独立转换，然后ADC停止
■ 可对多达16个通道的转换配置不同采样时间和顺序
无需中途停止ADC来配置下一个通道的采样时间
节省CPU负载
■ 应用举例:启动系统之前测量多个参数
电压、温度、压力等
机器人操作臂的坐标
物体所受扭力和形变的方向以及受力
单通道连续转换
■ 对一个规则通道进行连续转换
■ 通常可用于后台，无需CPU干涉的连续转换;
配合DMA的循环模式，进一-步减少CPU负载
■ 应用举例:监测电池电压，测量并调节炉温等
多通道连续转换
■ 对多个通道进行连续的独立转换
■ 可对多达16个通道的转换配置不同采样时间和顺序
■ 应用举例:多电池充电器中监测多个电压和温度的信息
多通道示波器-扫描通道，获取数据通过DMA送到SRAM里面，通过液晶显示屏显示数据。

2.5 相关寄存器

通道配置寄存器
ADC规则序列寄存器1(ADC_SQR1)
ADC规则序列寄存器2(ADC_SQR2)
ADC规则序列表存器3(ADC_SQR3)
ADC注入序列表存器(ADC_JSQR)

L[3:0]：定义转换的个数，取值000~1111，16个不同的数据代表不同的转换个数。
SQx[4:0]：定义通道的编号。规则组有16个，注入通道有4个。

同上。
控制寄存器1

SACN：开启或关闭扫描
JEOCIE：允许产生注入通道转换结束中断
EOCIE：允许产生规则通道转换结束中断
DUALMOD：双模式选择，使用1个ADC(ADC1) 或使用2个ADC(ADC1、ADC2)
AWDCH：看门狗通道通道选择位
控制寄存器2

ADCON：开启/关闭AD转换器
CONT：设置是否连续转换
CAL、RSTCAL：AD校准
ALIGN：设置数据格式对齐方式；左对齐置1，右对齐置0
DMA：开始/关闭DMA
SWSTART、JSWSTART：软件触发
EXTTRIG、JEXTTRIG：外部事件触发

软件触发位：
ADON、SWSTART、JSWSTART
外部事件触发位：
选择: ADC_CR2 :EXTSEL[2:0]和JEXTSEL[2:0]
激活: ADC_CR2 :EXTTRIG和JEXTTRIG
ADC采样事件寄存器

这两个寄存器用于设置通道0~17的采样时间，每个通道占用3个位。
采样时间短可能会有噪声影响。
ADC数据寄存器

规则序列中的AD转化结果都将被存在这个寄存器里面，而注入通道的转换结果被保存在ADC_JDRx里面。
读取数据时，注意该寄存器的数据对齐方式 - 左对齐/右对齐。
(对齐方式可以通过ADC_ CR2的ALIGN位设置左对齐还是右对齐)
ADC状态寄存器

2.6 ADC转换时间计算

转化时间于时钟频率息息相关。对于每个要转换的通道，采样时间建议尽量长一点，以获得较高的准确度，但是这样会降低ADC的转换速率。
ADC的转换时间可以由下式计算:
Tconv =采样时间+12.5个周期。
其中：
Tconv为总转换时间；
采样时间可以配置每个通道的SMP位选择；
12.5个周期是固定值，不可改变。（逐次逼近式的原则导致）

理论最短的转换时间(ADCCLK=14MHz):
Tconv = 1.5+12.5 = 14周期 = 14* 1/14=1us
常用最短的转换时间(ADCCLK=12MHz):
Tconv = 1.5+12.5 = 14周期 = 14* 1/12us=1.17us

三、STM32 ADC编程

准备：
新建文件adc.h,adc.c,添加库文件stm32f10x_adc、stm32f10x_dma,添加adc驱动源文件adc.c

ADC初始化结构体

typedef struct
{uint32_t ADC_Mode;//ADC模式:配置ADC_CR1寄存器的位[19:16] : DUALMODE[3:0]位FunctionalState ADC_ScanConvMode; //是否使用扫描模式。ADC_CR1位8: SCAN位FunctionalState ADC_ContinuousConvMode; //单次转换OR连续转换: ADC_CR2的位1: CONTuint32_t ADC_ExternalTrigConv; //触发方式: ADC_CR2的位[19:17]: EXTSEL[2:0]uint32_t ADC_DataAlign; //对齐方式: 左对齐还是右对齐: ADC_CR2的位11: ALIGNuint8_t ADC_NbrOfChannel;//规则通道序列长度: ADC_SQR1的位[23:20]: L[3:0]
}ADC_InitTypeDef;

3.1 测量3.3V引脚电压

烧写代码后，通过杜邦线分别连接PA1~ 3.3V, PA1 ~ GND ，然后通过串口观察ADC值。切忌不要作死接5V。

编程思路：
①开启时钟(PA\ADC1)，初始化端口(设置PA1为模拟输入)。
APB2PeriphClockCmd();
GPIO_Init();
②复位ADC1，设置ADC1预分频系数。
ADC_ Deinit(ADC1)
RCC_ ADCCLKConfig(RCC PCLK2 Div6);
③初始化ADC1(设置ADC1的工作模式以及规则序列的相关信息)。
void ADC_Init(ADC_TypeDef*ADCx, ADC_IntTypeDef ADC InitStruct)
④使能ADC并校准(类比万用表)。
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
ADC_ResetCalibration(ADC1); //使能复位校准
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); //等待复位校准结束
ADC_StartCalibration(ADC1); //开启AD校准
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1)); //等待校准结束
⑤配置规则通道参数:
ADC_RegularChannelConfig();
⑥开启软件转换:
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1)，
⑦等待转换完成，读取ADC值。
ADCGetConversionValue(ADC1);

代码：
adc.h

#ifndef ADC_H
#define ADC_H
#include "stm32f10x.h"void ADC_GPIO_Init(void);
void ADC_Configuration(void);
u16 get_ADC(u8 channel);#endif

adc.c

#include "adc.h"void ADC_GPIO_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );//使能GPIOA通时钟//PA1 作为模拟通道输入引脚                         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;        //模拟输入引脚GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
}void ADC_Configuration(void)
{ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; ADC_GPIO_Init();RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE );     //使能ADC1通道时钟RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);   //设置ADC分频因子6 72M/6=12,ADC最大时间不能超过14MADC_DeInit(ADC1);  //复位ADC1,将外设 ADC1 的全部寄存器重设为缺省值ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //ADC工作模式:ADC1和ADC2工作在独立模式ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;    //模数转换工作在单通道模式ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;  //模数转换工作在单次转换模式ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //转换由软件而不是外部触发启动ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //ADC数据右对齐ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;  //顺序进行规则转换的ADC通道的数目ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);  //根据ADC_InitStruct中指定的参数初始化外设ADCx的寄存器   ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);  //开启ADC1ADC_ResetCalibration(ADC1); //使能复位校准  while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   //等待复位校准结束ADC_StartCalibration(ADC1);    //开启AD校准while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));  //等待校准结束
}u16 get_ADC(u8 channel)
{//设置指定ADC的规则组通道，一个序列，采样时间ADC_RegularChannelConfig(ADC1, channel, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);  //ADC1,ADC通道,采样时间为239.5周期   ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);     //使能指定的ADC1的软件转换启动功能    while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));//等待转换结束return ADC_GetConversionValue(ADC1); //返回最近一次ADC1规则组的转换结果
}

main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_systick.h"
#include "usart.h"
#include "adc.h"int main(void)
{usart1_Init(9600);ADC_Configuration();u16 adc_Value = 0 ;float temp;printf("start!\n");while(1){adc_Value = get_ADC(ADC_Channel_1);//指定ADC_Channel_1，获取ADC的值printf("adc_Value:%d\n",adc_Value);//通过串口打印获取ADC的值temp=(float)adc_Value*(3.3/4096);//转换ADC的值，得到具体的电压printf("temp:%f\n",temp);//通过串口打印获取电压的值SysTick_Delay_ms(500);}
}

现象:

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