STM32--ADC模数转换

简介: STM32--ADC模数转换


ADC简介

STM32的ADC(Analog-Digital Converter)模拟-数字转换器是一种逐次逼近型模拟数字转换器,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。拥有18个输入通道,可测量16个外部通道和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。

模拟看门狗特性允许应用程序检测输入电压是否超出用户定义的高/低阀值。

输入电压范围:0-3.3V,转换结果范围:0~4095

在STM32F103C8T6 ADC资源:ADC1、ADC2,10个外部输入通道

逐次逼近型ADC

这个一个经典的逐次逼近型ADC,有8个输入通道,会在通道选择开关进行选择,通过地址锁存和译码进行锁定要输出的信号。利用ADDA,ADDB,ADDC进行锁存,ALE进行译码。

接着到比较器,它将输入信号与DAC(数值模拟转换器)的输出进行比较,在开始转换之前,DAC会输出一个初始值,然后与输入信号进行比较,比较结果会被送到一个控制逻辑电路上,控制逻辑电路根据比较结果调整ADC的输出值,这个过程会重复进行,直到ADC的输出与输入信号精度足够接近。每次调整DAC的输出,都使其更加接近于输入信号的值。当DAC的输出与输入信号的差异在可接受范围内时,转换结束。

逐次逼近型寄存器就是将调整DAC输出的值,通过二分查找的方法,找到接近输入信号的值

最后将最终值放入三态锁存寄存器,就可以进行输出了。

上面的CLOCK是ADC的时钟,通过它可以控制ADC的运行速度和转换精度。由于转换需要一定时间,可通过它控制转换速度。还可以实现与外部时钟同步。

START是运行控制位,EOC是转换结束标志位。

ADC框图

我们先从输入口看,大体上与传统的逐次逼近型ADC无差异,这里有16个外部通道和两个内部资源通道。接着会通过数据选择器,可以到注入通道或者规则通道。

注入通道最多可以有4个输入通道涌入,而规则通道可以有16个输入通道涌入

这里的模拟数字转换器原理就是逐次逼近型ADC的原理。

对于规则通道寄存器,只能存储一个结果,所以如果有多个通道进行转换的话,那么先存储的结果会被后来的结果覆盖过去,这有可能造成结果丢失;这里的DMA请求就会解决这种后果,通过对寄存器地址的移动,让数据存储在不同的地址,这样就不会数据丢失,具体下一章讲解。

那注入通道就是一次可以存储4个结果,注入通道还有一些具体的内容,这里不展开叙述。

ADCCLK就是时钟,可控制采样时间和转换时间;

最后汇集到地址数据总线上,进行输出。

左下角是触发转换的部分,对应逐次逼近型的START信号;对于STM32,有两种触发方式,一种是软件触发,通过在程序中进行编写代码,进行启动;另一种是硬件触发,就是图中的触发源;有定时器各个通道和定时器主模式的输出,还有外部中断引脚触发转换。

模拟看门狗会根据比较的结果,在一定范围内进行判断,一旦超出所在范围,那么将会产生看门狗事件;

转换结束后,规则通道的信号和注入通道的信号都会产生标志位,标志位可以触发中断使能,使其中断;

转换模式

在ADC中,有两种转换模式,可以搭配扫描模式一同使用;

单次转换模式下, ADC只执行一次转换。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。扫描模式用来扫描一组模拟通道。

单转换,非扫描模式

每一次转换都需要进行一次触发,转换结束后会置出一个结束标志位;当进行下一次转换时,又需要进行重新触发和置出结束标志位。

连续转换,非扫描模式

连续转换,只需要在一开始进行转换触发,那么接下来的每一次转换都不需要进行转换触发;

且转换一次后,会迅速进入下一次转换,每一次EOC会被标志,这里可以理解为转换完成后EOC自动标志了。

单次转换,扫描模式

扫描模式会对所选通道都进行扫描,由于是单次转换,后来的通道内容会将前面的通道内容进行覆盖,所以如图中所示,到最后只有通道6的内容进行输出;

连续转换,扫描模式

同样的道理,到最后只有通道6的内容会进行输出;

所以扫描模式都会与DMA进行搭配,让数据不产生丢失的情况

数据对齐

对于规则通道来说,输出结果只有12位有效,而数据存储器有16位,所以这里就会产生两种方式进行存储;

右对齐:数据高位补0,这是我们常用的方式;

左对齐:数据低位补0,这样操作会使数据扩大16倍;

转换时间

AD转换的步骤:采样,保持,量化,编码

STM32 ADC的总转换时间为:

TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期

例如: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

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。在

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。

ADC基本结构

通过输入端口到AD转换器,AD转换器需要触发控制和时钟进行初始化。转换结束后会产生标志位;接着将数据结果储存到AD数据寄存器中。该结构需要开关进行控制启动。

ADC单通道工程

接线方式:

通过对电位器的旋转,在OLED显示屏上显示数字转换后的结果。

代码:

OLED代码所取处

AD.h

#ifndef __AD_H__
#define __AD_H__
void AD_Init();
uint16_t AD_GetValue();
#endif

AD.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
void AD_Init()
{
  //开启外设时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    //配置ADC时钟
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);  // 72M/6=12MHz
  //引脚初始化
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN; //模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    //为所选ADC规则通道配置其序列器对应等级和采样时间
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_0,1,ADC_SampleTime_55Cycles5);
    //ADC结构体成员
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=DISABLE; //指定通道模式为连续转换或者单转换
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right; //数据对齐方式
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None; //启动规则通道模拟电压到数字转换的外部触发器
    ADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent; //配置ADC为独立模式或者双模式
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE; //选择是否为扫描模式
    ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);
    //ADC运行控制
    ADC_Cmd(ADC1,ENABLE);
    //重置所选ADC校准寄存器
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    //获取ADC复位状态,复位后为0
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    //开始校准
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    //获取ADC所选标准位状态,校准需要时间,校准好后置0
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}
uint16_t AD_GetValue()
{
    //启动ADC软件转换,触发方式
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);
    //检查ADC是否已有标志位,还没有就为SET,有为RESET(EOC)
    while(ADC_GetFlagStatus(ADC1,ADC_FLAG_EOC)==RESET);
    //返回一个转换结果
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "OLED.h"
#include "AD.h"
float V;
int main()
{
  OLED_Init();
  AD_Init();
    OLED_ShowString(1,1,"Value:");
    //显示电压
    OLED_ShowString(2,1,"Volatge:0.00");
    while(1)
    {
        V=(float)(AD_GetValue()/4095*3.3);
        OLED_ShowNum(1,7,AD_GetValue(),4);
        OLED_ShowNum(2,9,V,1);
        OLED_ShowNum(2,11,(uint16_t)(V*100)%100,2);
    }
}

数字范围:0-4095

电压范围:0-3.3V

对于显示屏上的波动效果,是正常效果。由于转换总时间在1/12*(55.5+12.5)=5.6微妙;

转换速度是非常快的,而我们又在一个循环中不断显示结果,每次输出结果是由逐次逼近型ADC进行比较输出的,所以不可能每次比较值都非常精准,多多少少会有些误差的波动。

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