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[007]嵌入式学习：模数转换器
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目录 【本文为百问网&韦东山【物联网智能家居实战训练营】学习笔记系列】 引言模数转换器（ADC）是嵌入式开发中重要的常见外设。MCU通过它感知外界环境变化，进行对应处理，实现各种功能。 1 ADC的理论知识自然界的信号几乎都是模拟信号，为了方便计算机存储、处理，需要将模拟信号（连续信号）转换为数字信号（离散信号），将模拟信号转换为数字信号的器件就叫模数转换器(Analogto-Digital Converter，ADC)。 ADC按原理可分为： 并行比较型 A/D 转换器(FLASH ADC)逐次比较型 A/D 转换器(SAR ADC)双积分式 A/D 转换器(Double Integral ADC)。A/D转换过程通常为4步：采样、保持、量化和编码。A/D转换过程如图1 所示。
图1 A/D 转换过程 采样是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号转化为时间上离散的脉冲信号。采样频率（fs）越高，采样值越接近模拟信号。为确保采样后的信号能够还原模拟信号，采样频率应满足香农-奈奎斯特(Shannon & Nyquist)采样定律，即有 式中， ADC主要有三个性能指标：分辨率、转换时间和转换精度。 分辨率：又称为转换精度，指ADC能分辨的最小电压，通常使用二进制有效位表示，反应ADC 对输入模拟量微小变化的分辨能力。当最大输入电压一定时，位数越多，分辨率越高。例如一个12位的ADC，参考电压为3.3V，则其能分辨的最小电压为：3.3/212 = 0.8𝑚V转换时间：其倒数为转换速率，指ADC从控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。转换时间通常与ADC类型有关，双积分型ADC的转换时间一般为几十毫秒，属于低速ADC； 逐次逼近型ADC的转换时间一般为几十微妙，属于中速ADC；并联比较型ADC的转换时间一般为几十纳秒，属于高速ADC。转换精度：指ADC输出的数字量所表示的模拟值与实际输入的模拟量之间的偏差，通常为1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB或1/2LSB。 2 STM32的ADCSTM32F10x系列内部有三个12位逐次逼近型ADC，拥有多达18个通道，可测量16个外部模拟输入源和2 个内部信号源的A/D转换。每个通道的A/D转换可采用单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的的转换结果为12位的二进制数，可按左对齐或右对齐存储在16位数据寄存器中。ADC具有模拟看门狗特性，允许应用程序检测输入电压是否超过用户自定义的阈值上限或下限。 2.1 ADC内部结构如图2 所示，STM32的ADC组成可分为七部分。 （1）ADC参考电压引脚 VDDA和VSSA为专门为模拟电路设计的独立电源，用于过滤和屏蔽来自PCB上的毛刺和干扰。ADC为提高转换精确度，使用VDDA和VSSA供电。 VREF+和VREF-为ADC基准参考电压（Voltage Reference），将输入的待测量电压与基准参考电压比较，从而得知测量电压的大小。基准参考电压的准确度，直接影响测量结果，在高要求场合，通常使用独立的电压基准芯片提供参考电压。 一 般情况下，将VREF+与VDDA连接，VREF-与VSSA连接，得到3.3V的参考电压。如果想测量更高电压，比如5V电压。可以使用输入范围较大的ADC外置ADC芯片，通过 （2）ADC输入引脚 ADCx_IN0~ADCx_IN15为ADC的输入信号通道，每个输入通道连接一个GPIO引脚。需要GPIO设置为 对应模拟输入的复用模式。 （3）ADC通道 STM32的ADC有16个模拟输入通道，可分为两组模式进行使用和规划。 规则通道组：最多支持16个通道，在该组的ADC通道，根据序列寄存器SQRx（x=1~3）的配置顺序，依次转换。如表1所示，SQR3控制通道顺序1~6，SQR2控制通道顺序7~12，SQR1控制 通道顺序13~16。表1 规则通道序列寄存器
表2 注入通道序列寄存器
（4）ADC触发 A/D转换需要触发信号才能开始工作，触发信号的产生方式通常有两钟。 软件触发：由软件编程控制，使能触发启动位；外部触发：规则通道组的外部触发源可以是定时器TIM1_CH1~TIM1_CH3、外部中断线EXTI_11等， 通过EXTSEL[2:0]选择触发源，ADC_CR2的EXTRIG位激活；注入通道组的外部触发源可以可以是 定时器TIM1_CH4、外部中断线EXTI_15等，通过JEXTSEL[2:0]选择触发源，ADC_CR2的JEXTTRIG 位激活。（5）ADC中断 ADC在每个通道转换结束后，可产生相应的中断请求。若ADC_CR1寄存器的EOCIE位被置1，注入通道 或规则通道转换结束后，将产生EOC中断；若ADC_CR1寄存器的JEOCIE位被置1，注入通道转换结束后， 将产生JEOC中断；若ADC_CR1寄存器的AWDIE位被置1，超出阈值或低于阈值，将产生AWD中断。 （6）ADC数据 ADC在转换结束后，将数据存入相应的数据寄存器。规则通道组中的转换结果，存放在16位的ADC_DR 规则通道数据寄存器中，该寄存器只有一个，因此转换完成后应立即读取出来，以免被覆盖。或者开启DMA模式，将数据直接保存到指定地址的内存里。注入通道组中的转换结果，存放在16位的 ADC_JDRx注入通道数据寄存器中，该寄存器有四个，对应每一个转换通道，不存在覆盖问题。 ADC转换的结果是一个12位的二进制数，而寄存器是16位的，因此涉及到数据对齐问题。ADC对齐方式有左对齐和右对齐两种，通常使用右对齐方式。 （7）ADC时钟 ADC时钟ADCCLK由APB2（PLCK2）经ADC预分频器分频得到，分频值 可设置为2n（1≤n≤4）。APB2总线时钟通常为72MHz，根据《参考手册》可知，ADC最大工作频率为14MHz， 因此通常设置分频值为6，ADCCLK为12MHz。 A/D转换在采样时信号需要保持一段时间，采样时间越长，转换结果越稳定，但转换速率也就越慢。 STM32的ADC每个通道的采样时间都可以进行设置，可设置为采样周期的1.5倍、7.5倍、13.5倍、28.5倍、 41.5倍、55.5倍、71.5倍或239.5倍。 2.2 ADC的转换模式ADC有四种转换模式：单次模式、连续模式、扫描模式和间断模式。 单次模式：ADC只执行一次转换；连续模式：当前ADC转换结束后，立即进入下一个转换；扫描模式：用来扫描一组通道。通道可以来自规则通道组，也可来自注入通道组。开启扫描模式后， ADC将自动扫描该组所有通道，如此时转换模式设置为单次转换，则扫描本组所有通道后，ADC 自动停止；若将转换模式设置为连续模式，则在扫描本组所有通道后，再从第一个通道开始扫描；间断模式：用来间歇转换一组通道。通道可以来自规则通道组，也可来自注入通道组。假设该组包 含0、1、2、3、5、6、7、8，共8个通道，而设置转换通道数为3，则第一次触发，转换0、1、2通 道；第二次触发，转换3、5、6通道；第三次触发，转换7、8通道，并产生EOC中断。 3 ADC试验的软件设计思路当采用103MINI开发板进行ADC实验时，通过使用ADC采集按键的电压，体验ADC的功能效果。 软件设计思路如下： 1) 初始化ADC属性相关参数：数据对齐方式、工作模式、触发源等； 2) 初始化ADC涉及的硬件相关参数：相关时钟、引脚、DMA、中断等； 3) 编写ADC转换完成中断处理函数，通知ADC转换完成； 4) 主函数编写控制逻辑：通过按键，启动ADC采集，ADC后的数据通过DMA直接存放到指定内存地址。 4 结语本文对模数转换器（ADC）的原理、结构和使用进行了介绍。 |
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