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1. 简介
12bitADC(Analog-To-Digital converter)是一个逐次逼近型的模拟数字转换器,有18个通道,可测16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右 对齐方式存储在16位数据寄存器中。
2. ADC
STM32的ADC是一个逐次逼近型的ADC,那么在了解STM32的ADC之前,我们先来了解下逐次逼近型的含义,这会帮助我们理解ADC。
2.1 逐次逼近型寄存器SAR
逐次逼近型SAR ADC实质上是一种二进制搜索算法,其结构如下:
模拟输入电压(VIN)由采样/保持电路保持。N位寄存器的MSB(最高有效位设置为1,即1000 000),N位寄存器中的数据输入到N位DAC中,DAC输出(VDAC)会被设置为VREF/2,VREF是提供位ADC的基准电压。
VIN和VDAC都被输入到比较器中,用来比较判断VIN是小于还是大于VDAC。如果VIN大于VDAC,则比较器输出逻辑高电平,N位寄存器的MSB保持为1。相反,如果VIN小于VDAC,则比较器输出逻辑低电平,N位比寄存器的MSB清0。随后SAR控制逻辑移至下一位,并将该位设置为高电平,进行下一次的比较,这个过程一直持续到LSB(最低有效位)。上述操作结束后,也就完成了转换,N位转换结果储存在寄存器内。这就是逐次逼近型寄存器ADC的工作原理。
下图是一个4bit ADC转换示意图,其中y轴和图中粗线表示VDAC,即DAC的输出电压。
在下图中,第一次比较,N位寄存器的值为1000,此时VIN<VDAC,所以bit3=0,即0000.
之后移至下一位,即0100,进行第二次比较,此时VIN>VDAC,所以bit2=1,即0100.
之后再一致下一位,即0110,进行第三次比较,此时VIN<VDAC,所以bit1=0,即0100.
之后移至最后一位,即0101,进行最后一次比较,此时VIN<VDAC,所以bit0=0,即0100.
至此,比较完毕,ADC的转换结果也已得出,即0100.
2.2 ADC转换时间
接上文,4bitADC需要4个比较周期,则NbitADC需要N个比较周期,这个过程在ADC转换过程中也叫做量化编码时间。上面说过一个采样/保持电路,出现该电路是由于ADC转换时候需要量化编码时间,所以需要保证在进行量化编码时VIN的值是一定的,而不是变化的,所以需要一个采样/保持电路。当采样开关打开时,采样一段时间,送入到保持电路,并将采样开关关闭,之后进行量化编码,完成一次ADC转换。所以,ADC转换需要4个步骤:采样、保持、量化、编码。在STM32中,采样保持叫做采样时间,由于STM32是12bit的ADC,其量化编码需要12.5个ADC周期,所以STM32 ADC的总转换时间为: TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期
在STM32时钟树章节,我们了解到ADC时钟ADCCLK最大为14MHz。
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。
所以ADC最快转换时间为1us。
3 ADC框图
3.1 8 bit ADC0809芯片内部框图
了解了逐次逼近型ADC,我们看下8bit ADC0809芯片的内部框图:
先看左侧红色部分,该部分为ADC的输入(采样)通道,一共有8位输入通道,即8bit的ADC。下方的地址锁存和译码可以决定选择那位通道,之后将该通道的模拟信号输入到比较器中。
接着我们看绿色部分,这里有一个逐次逼近型寄存器SAR,下方是一个DAC,DAC输出的信号也会输入到比较器中,下面的过程我们就熟悉了,依次从MSB进行比较,直至比较到LSB,这样便完成了ADC转换。
我们注意下图的上方有一个CLOCK,这个CLOCK主要用来控制转换周期;START信号,表示ADC开始转换;EOC,即 end of conver,表示转换结束,为转换结束标志位。图下方有一个Vcc、GND,为芯片的电压输入引脚;另外VREF(+)和VREF(-)为DAC的参考电压。例如Nbit寄存器中的值为255,那这个值转换为模拟信号是代表3.3V还是5V,即由此电压来决定。一般情况下将VREF(+)和Vcc相连,VREF(-)和GND相连。
所以,ADC内部结构主要包括:输入通道、逐次逼近型寄存器、DAC、时钟、转换结束信号,参考电压。
有了这个基础,下面我们来介绍ADC框图。
3.2 ADC框图
初看该图,会觉得无从下手,有了前面的铺垫,再看这个图,清晰多了。红色框框为输入通道选择,STM32共有18个ADC通道,其中16个为外部GPIO通道,剩下2个分别为温度传感器和VREFINT。绿色框框为逐次逼近型ADC部分。淡黄色同样为输出结果,在STM32中将ADC的转换结果存放到数据寄存器中。橙色部分为输入电压,可看下表:
3.2.1 注入通道和规则通道
观察红框部分,ADC有一个模拟多路开关,该开关输入为18个输入通道,其输出也可以为多个通道。STM32的ADC可以一次性配置多个通道进行转换,多个通道可以分配为注入组和规则组。规则组一次性可以选择16个通道,但规则通道的数据寄存器只有1个,所以,在完成规则组内一个通道的ADC转换之后,需要立马将其数据寄存器中的数据取出,防止其被覆盖,因此规则组通常会和DMA联合使用,提高效率。
注入组一次性只能选择4个通道,但是我们看ADC框图发现注入通道数据寄存器为4*16bit,即共有4个,所以注入组不需要担心数据被覆盖的问题。
一般情况下我们只使用规则组即可。
3.2.2 单次/连续转换模式
单次转换模式:
在单次转换模式下,ADC只执行一次转换,转换完成后则停止ADC。
可以通过配置ADC_CR2寄存器的ADON位来选择
连续转换模式:
在连续转换模式下,ADC转换结束后立马启动另一次转换。
3.2.3 扫描模式
扫描模式是用来扫描一组模拟通道,经常将其和转换模式组合起来,共有4种组合。
3.2.4 外部触发转换
ADC转换也可以由外部事件触发(例如定时器捕获、外部中断等),可通过配置EXTTRIG位来控制。
这部分和ADC框图的粉色框框对应,可以在定时器中设置一个中断,当定时器中断时,产生ADC转换。此处主要说明一点TRGO事件,在TIM定时器章节,3.2 PWM输入模式 中我们曾介绍到,“定时器的主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚,用于触发其他外设的操作”。此处便是一个例子,可以配置TIM3_TRGO事件为触发ADC转换,则硬件会自动在产生TRGO事件后主动触发ADC转换,节省了软件资源。
3.2.5 数据对齐
数据寄存器为16位的,但是ADC是12位的,因此ADC转换结果存放有两种方式:数据右对齐和数据左对齐。
一般情况下选择数据右对齐,这种情况相下,数据寄存器中的值即为ADC的结果,直接读出即可。
那么数据左对齐有什么作用呢,可以在调整分辨率的时候使用,例如在使用8bit的ADC时,可以选择数据左对齐,则选取时值只选取D11-D4部分即可。
可以在ADC_CR2寄存器中配置ALIGN位来实现数据对齐方式的选择:
3.2.6 模拟看门狗
![](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/8d44450bf4a64454b46b9322b35a7b5f.png)
4. 总结和ADC驱动代码
最后,根据江协大大的ADC框图,我们看着这个框图,做下总结和复习:
18个输入通道,之后多路输出,选择规则组或者注入组,可以通过控制触发信号开始ADC转换,RCC的ADCCLK来控制ADC周期,转换结束后会将结果放置到数据寄存器,同时EOC标志位也被置位,之后输入到NVIC中断,表示ADC转换结束。ADC也可以配置看门狗,当ADC的值超过设置阈值后,ADC也会触发中断,输入到NVIC中断中。
了解了理论之后,来看ADC配置的代码,就会一目了然。
//adc.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
/**
* 函 数:AD初始化
* 参 数:无
* 返 回 值:无
*/
void AD_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); //开启ADC1的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*设置ADC时钟*/
RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6); //选择时钟6分频,ADCCLK = 72MHz / 6 = 12MHz
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA0引脚初始化为模拟输入
/*规则组通道配置*/
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5); //规则组序列1的位置,配置为通道0
/*ADC初始化*/
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; //定义结构体变量
ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; //模式,选择独立模式,即单独使用ADC1
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //数据对齐,选择右对齐
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None; //外部触发,使用软件触发,不需要外部触发
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE; //连续转换,失能,每转换一次规则组序列后停止
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //扫描模式,失能,只转换规则组的序列1这一个位置
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1; //通道数,为1,仅在扫描模式下,才需要指定大于1的数,在非扫描模式下,只能是1
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); //将结构体变量交给ADC_Init,配置ADC1
/*ADC使能*/
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE); //使能ADC1,ADC开始运行
/*ADC校准*/
ADC_ResetCalibration(ADC1); //固定流程,内部有电路会自动执行校准
while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
ADC_StartCalibration(ADC1);
while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);
}
/**
* 函 数:获取AD转换的值
* 参 数:无
* 返 回 值:AD转换的值,范围:0~4095
*/
uint16_t AD_GetValue(void)
{
ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE); //软件触发AD转换一次
while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET); //等待EOC标志位,即等待AD转换结束
return ADC_GetConversionValue(ADC1); //读数据寄存器,得到AD转换的结果
}
参考:
1. 江协科技STM32