微机原理与嵌入式接口技术课件：DA 与 AD 转换技术

D/A

与A/D

转换技术7.1D/A转换基础7.2STM32的DAC7.3D/A转换基础7.4STM32的ADC组习题7

本章要点

☆D/A转换器工作原理

☆D/A转换器主要技术指标

☆STM32的DAC功能和转换方法

☆STM32的DAC应用

☆A/D转换器的工作原理

☆A/D转换器的主要技术指标

☆STM32的ADC功能和工作模式

☆STM32的ADC转换方法

☆STM32的ADC应用

将模拟信号转换成数字信号的装置称为模／数转换器（简称ADC）；将数字信号转换成模拟信号的装置称为数／模转换器（简称DAC）。

微型计算机完成测量与控制任务的工作过程如图7.1

所示。

在微机控制系统中，D/A转换器是计算机与被控制设备之间传输信息时必不可少的桥梁，担负着把数字量转换成模拟量的任务。D/A转换器按处理数据的位数不同，可分为8位、10

位、12

位和16

位等转换器。图7.1微型计算机完成测量与控制任务的工作过程

7.1.1转换原理

D/A转换器的作用是将数字量转换成模拟量，它的基本要求是输出电压VO

应和输入数字量成正比，即

典型的D/A转换器芯片通常由模拟开关、电阻网络以及缓冲电路组成，如图7.2

所示。电阻网络是D/A转换器的核心部件，主要有加权电阻网络和“Ｔ”形电阻网络两种结构形式。图7.2

D/A转换器结构框图

1.

加权电阻网络D/A转换器的工作原理

图7.3

所示的是加权电阻网络D/A转换器的原理图，根据运算放大器原理，放大器输入电流是通过各个电阻的电流总和。而通过各电阻的电流又是由各位二进制数字所对应的开关控制。放大器的输出电压应为

其中V

REF为参考电压，R

F＝R，D

1

～D

n

为输入的二进制数字，其取值为0

时相应的开关断开，实际电路中的开关是CMOs电子开关。图7.3加权电阻网络D/A转换器原理

2.

T形电阻网络D/A转换器的工作原理

T形电阻网络采用分流的原理实现对数字量的转换。在图7.4

中只有两种电阻R和2R，用集成工艺生产较容易，精度也容易保证，因此应用比较广泛。根据运算放大器特性，运放的反向输入端看作虚地，则各节点D

1～D

n

对地的等效电阻都是R。

如果开关接入运算放大器反相输入端，则流经各个开关的电流大小满足如下关系：

取反馈电阻R

F＝R，则输出电压为图7.4

T形电阻网络D/A转换器原理

实际电路中各开关由二进制输入的各位来控制。因此对于任意的二进制数字输出，对应的模拟输出电压为

其中最高位D

n

称为最高有效位，最低位D

1

称为最低有效位。

7.1.2

D/A转换器的主要性能指标

D/A转换器的主要性能指标有分辨率、转换精度、建立时间、温度系数、非线性误差等，它们都是衡量D/A转换器技术指标的重要参数。

1.

分辨率

分辨率是指D/A转换器对数字输入量变化的敏感程度的度量，它是D/A转换器所能分辨的最小的输入量，通常用数字量的位数来表示，如8

位、12

位等。

2.

转换精度

转换精度反映了D/A转换器的精确程度。它与D/A转换器芯片结构、外部电路配置、电源等因素有关。转换精度又分为绝对转换精度和相对转换精度。

绝对转换精度是以理想状态为参照，即D/A转换器的实际输出值与理论的理想值之间的差值，一般应低于1／2LsB。

3.

建立时间

D/A转换器的建立时间也称转换时间，是对D/A转换器转换速度快慢的敏感性能描述指标，即当输入数据发生变化后，输出模拟量达到稳定数值，也即进入规定的精度范围内所需要的时间。

4.

温度系数

温度系数是D/A转换器受环境温度影响的特征。

5.

非线性误差

非线性误差也称为线性度，它是指实际转换特性曲线与理想转换特性曲线之间的最大偏差。一般要求非线性误差的绝对值不大于1／2LsB。非线性误差越小，说明线性度越好，D/A转换器输出的模拟量与理想值的偏差就越小。

7.2

STM32的DAC

7.2.1

STM32DAC功能简介

STM32的DAC模块（数字／模拟转换模块）是12

位数字输入、电压输出型DAC。可以配置成8

位或12

位模式，也可以与DＭA控制器配合使用。DAC工作在12

位模式时，数据可以设置成左对齐或右对齐。DAC模块有两个输出通道，每个通道都有独立的转换器。在双DAC模式下，两个通道可以独立地进行转换，也可以同时进行转换并同步更新两个通道的输出。DAC可以通过引脚输入参考电压V

REF+

以获得更精确的转换结果。

STM32的DAC模块主要有以下特点：

·两个DAC转换器：每个转换器对应1

个输出通道；

·12

位模式下，数据左对齐或右对齐；

·三角波、噪声生成；

·两个DAC通道同时或分步转换；

·每个通道都有DＭＡ功能；

·外部触发转换；

·外部可输入参考电压V

REF+

。

单个通道的DAC框图如图7.5

所示。图中V

DDA为模拟电源，V

ssA为模拟电源地，V

REF+为参考电源，DAC_OUTx为DAC通道ｘ的模拟量输出（PA4

或PA5

引脚），EXIT_9为外部触发引脚。图7.5

STM32DAC通道模块框图

数字输入经过DAC被线性地转换为模拟电压输出，其范围为0

到V

REF+

。DAC通道引脚上的输出电压满足下面的关系：

其中V

O

是DAC输出的模拟电压，DOR

为数字量输出。

【例7.1】假设V

REF+

为3.3

V，D/A转换位数n＝12，试求当DOR＝2000

时，输出的模拟电压V

O

等于多少？

7.2.2

STM32DAC的工作模式

1.

DAC的触发

STM32DAC的启动方式可以设置为触发启动或非触发启动，由DAC控制寄存器（DAC_CR）中的TENx位决定（ｘ表示DAC的通道，1

或2）。

当TENx＝0

时关闭通道ｘ的触发，存入DHRｘ寄存器的数据会在一个APB1

时钟周期内自动转存到DORｘ寄存器中，在经过时间TsETTLING之后，输出即有效，这段时间的长短依电源电压和模拟输出负载的不同会有所变化。时序图如图7.6

所示。

7.6

DAC数据转换时序图

软件触发：对DAC_ssWTRIGR寄存器中的sWTRIGx

位置1

可以使能一次软件触发，当数据传入DORｘ寄存器后的一个APB1

周期，该位由硬件自动置0。

定时器触发：对DAC_CR的TsEL1［2：0］位进行配置，可以选择TIM2、TIM4、TIM5、TIM6、TIM7

和TIM8

定时器触发，当选定的定时器发生事件后，产生一次定时器触发，启动一次DAC转换。

外部中断触发：对DAC_CR的TsEL1［2：0］位进行配置，可以选择外部中断线9

触发，当该线路发生指定事件后，使能一次外部中断触发，启动一次DAC转换。

2.

DAC的波形输出模式

STM32的DAC有3

种输出模式，分别是关闭波形输出、三角波输出和噪声输出。波形输出模式受DAC_CR寄存器中WAVE1［1：0］位控制，关闭波形输出时，用户可根据需要自定义波形输出。

1）三角波输出

选择三角波输出时可在一个基值上叠加一个小幅度的三角波。选择DAC的三角波生成功能，在DAC_CR寄存器MAMP1［3：0］位中设置三角波的幅度。DAC内部的三角波计数器在每次触发事件之后的3

个APB1

时钟周期后累加1。计数器的值与DAC_DHRｘ寄存器的数值相加并丢弃溢出位的数据后写入DAC_DORｘ寄存器。在传入DAC_DORｘ寄存器的数值小于设置的最大幅度时，三角波计数器逐步累加。一旦达到设置的最大幅度，则计数器开始递减，到0

后再开始累加，周而复始。三角波生成的示意图如图7.7

所示。图7.7

DAC生成三角波的示意图

2）噪声输出

可以利用线性反馈移位寄存器（LFsR）产生幅度变化的伪噪声。选择DAC噪声生成功能，在DAC_CR寄存器MAMP1［3：0］位中设置噪声的屏蔽位，可改变噪声幅度。LFsR的预装入值为0ｘＡＡＡ。按照特定算法，在每次触发事件后3

个APB1

时钟周期之后更新该寄存器的值。设置DAC_CR寄存器的MAMP1［3：0］位可以屏蔽部分或者全部LFsR的数据，这样得到的ＬsＦR

值与DAC_DHRｘ的数值相加，去掉溢出位之后即被写入DAC_DORｘ寄

存器。

3.

DAC的输出缓存

STM32的DAC集成了2

个输出缓存，可以用来减少输出阻抗，无需外部运放即可直接驱动外部负载。每个DAC通道输出缓存可以通过设置DAC_CR寄存器的BOFFx

位来使能或者关闭。

7.2.3

STM32DAC的转换

1.

DAC数据格式

STM32的DAC是12

位的数字输入，它可配置为8

位和12

位，也可配置为单通道和双通道，在12

位模式下具有左对齐和右对齐两种格式以适应不同格式的用户数据。单通道和双通道数据格式如图7.8

所示，下面分别进行介绍。图7.8

DAC数据格式

1）单DAC通道

8

位数据右对齐：数据写入寄存器DAC_DHR8Rｘ［7：0］位（实际是写入寄存器DHRｘ［11：4］位）。

12

位数据左对齐：数据写入寄存器DAC_DHR12Ｌｘ［15：4］位（实际是写入寄存器DHRｘ［11：0］位）。

12

位数据右对齐：数据写入寄存器DAC_DHR12Rｘ［11：0］位（实际是写入寄存器DHRｘ［11：0］位）。

2）双DAC通道

8

位数据右对齐：将DAC1

数据写入寄存器DAC_DHR8RD［7：0］位（实际是存入寄存器DHR1［11：4］位），将DAC2

数据写入寄存器DAC_DHR8RD［15：8］位（实际是存入寄存器DHR2［11：4］位）。

12

位数据左对齐：将DAC1

数据写入寄存器DAC_DHR12ＬD［15：4］位（实际是存入寄存器DHR1［11：0］位），将DAC2

数据写入寄存器DAC_DHR12ＬD［31：20］位（实际是存入寄存器DHR2［11：0］位）。

12

位数据右对齐：将DAC1

数据写入寄存器DAC_DHR12RD［11：0］位（实际是存入寄

存器DHR1［11：0］位），将DAC2

数据写入寄存器DAC_DHR12RD［27：16］位（实际是存入寄存器DHR2［11：0］位）。

根据对DAC_DHRｙｙｙD

寄存器的操作，经过相应的移位后，写入的数据被转存到DHR1

和DHR2

寄存器中（DHR1

和DHR2

是内部的数据保存寄存器ｘ）。随后，DHR1和DHR2

的内容或被自动地传送到DORｘ寄存器，或通过软件触发或外部事件触发被传送到DORｘ寄存器。2.

DAC转

2.

DAC转换

不能直接对寄存器DAC_DORｘ写入数据，任何输出到DAC通道ｘ的数据都必须写入DAC_DHRｘ寄存器（数据实际写入DAC_DHR8Rｘ、DAC_DHR12Ｌｘ、DAC_DHR12Rｘ、DAC_DHR8RD、DAC_DHR12ＬD

或者DAC_DHR12RD

寄存器）。

如果通道触发设置为禁止，用户在设置数据格式并赋值时，DAC会自动启动数模转换，输出DOR

寄存器所对应的模拟量；如果通道触发设置为定时器触发或外部中断触发，在相应事件发生后，也会自动启动数模转换，输出DOR

寄存器所对应的模拟量；如果通道触发设置为软件触发，则需要用户软件触发启动DAC进行数模转换。

3.

DAC使能

将DAC_CR寄存器的Ｅnｘ位置1

即可使DAC通道ｘ供电。过一段启动时间，DAC通道ｘ才会被使能。同其他外设一样，要想使用，必须先开启相应的时钟。STM32的DAC模块时钟是由APB1

提供的。

4.

DＭＡ请求

STM32的DAC2

个通道都具有DＭＡ功能。2

个DＭＡ通道可分别用于2

个DAC通道的DＭＡ请求。如果将DAC_CR寄存器中的DＭＡＥnｘ位置1，一旦有外部触发（而不是软件触发）发生，则产生一个DＭＡ请求，将指定地址中的数据存入DAC_DHRｘ寄存器中，随后数据被传送到DAC_DORｘ寄存器，启动DAC转换输出。查STM32数据手册可知，DAC通道1

与DＭＡ2

的通道3

对应，DAC通道2

与DＭＡ2

的通道4

对应。

7.2.4

STM32DAC的应用

1.

STM32DAC硬件电路

STM32的DAC集成在芯片内部，因此它的硬件电路非常简单，如图7.9

所示。其内部带运算放大器，具有一定的负载能力，开启输出缓冲使能可以增加带负载

能力。一旦使能DACｘ通道，相应的GPIO（PA4

或PA5）引脚就会自动与DAC的模拟输出相连。图7.9

DAC硬件电路

2.

开启DAC输出的步骤

要正确使用STM32的DAC，需要对相应的GPIO

引脚、系统时钟、DAC控制寄存器等进行一系列的设置，如果使用了定时器触发、外部中断触发和DＭＡ功能，还需要对这些外设进行配置。下面以软件触发DAC通道1

产生三角波为例，讲述使用DAC的一般步骤。

1）GPIO

引脚配置

STM32的DAC通道1

模拟量输出在PA4

引脚上，因此需要先使能ＰORｔＡ的时钟，并将PA4

引脚配置为模拟量输入。DAC本身是输出，将PA4

引脚配置为模拟量输入是为了避免额外的干扰和降低功耗。

3.

DAC应用的软件设计

下面通过几个应用实例，进一步了解和掌握STM32DAC应用的具体方法。

【例7.1】在DAC通道1

上自定义输出方波，通道触发关闭。

【例7.2】使用软件触发方式，在DAC通道1

上产生正弦波，DAC通道2

上产生锯齿波。

【例7.3】使用定时器2

触发，在DAC通道1

上产生三角波，通道2

上产生噪声。

【例7.4】用DMA的方式在ADC通道1

上产生正弦波，选择定时器2

触发。

7.3Ａ∕D

转换基础

7.3.1Ａ∕D

转换原理在A/D转换中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时只能按一定的时间间隔对输入的模拟信号进行采样，然后再把采样值转换为数字量输出。通常A/D转换需要经过采样、保持、量化、编码四个步骤。

1.

采样和保持

A/D转换需要一定的时间，在转换过程中，如果输入到ADC的模拟量发生变化，则不能保证转换精度。为此，需要在ADC前加入采样保持电路，最基本的采样保持器电路如图7.10

所示。采样时，V

C

为高电平，开关s

导通，模拟信号V

in通过s

向电容ＣH充电，如果电容ＣH

电容值很小，电容可以在很短的时间内完成充放电，输出电压V

O

跟踪输入模拟信号的变化。保持时，V

C

为低电平，开关s

断开，由于集成运放的输入阻抗高，电容放电缓慢，输出电压V

O

保持在模拟开关断开瞬间的输入信号值。图7.10基本的采样保持器电路图

在进行数据采集之前，需要确定采样频率：即在一段固定时间内采集数据的点数。采样频率是一个很重要的参数，采样频率越高，采样越密，单位时间内的采样值越多，采样信号就越接近输入信号的波形，如图7.11

所示。图7.11采样和保持波形示意图

2.

量化与编码

输入的模拟电压信号经过采样和保持后，得到的是阶梯波，而阶梯波仍是一个模拟信号。量化就是用基本量化单位的个数来表示采样到的模拟信号的幅值，从而实现模拟量到数字量的转换，这个过程也称为量化过程。编码是把已经量化的模拟值用二进制、BCD或其他码来表示，这个过程称为编码。

例如，一个12

位的A/D转换器，把输入电压分成了4096

等份，若量程为0～3.3

V，则量化单位Δ为

由于模拟电压信号在数值上是连续的，不一定被量化单位Δ整除，所以在量化过程中就可能引入误差量。A/D转换器的位数越多，量化的误差就越小。例如10

位的A/D转换器最小量化误差为

由此可见，A/D转换器的位数越多，量化等级越细，量化误差越小。量化时对误差有两种处理方法：只舍不入和有舍有入。只舍不入是将不足一个量化单位的尾数去掉，取原整数，误差相对较大。有舍有入是当尾数小于Δ／2

时用舍尾取整法得其量化值，当尾数大于Δ／2

用舍尾入整法得其量化值。

7.3.2Ａ∕D

转换器分类

随着大规模、超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的设计思想和制作技术层出不穷。为了满足不同检测和控制任务的需求，大量结构不同、性能各异的A/D转换器应运而生。尽管A/D转换器的种类很多，但目前应用较为广泛的主要有三种类型：逐次逼近型A/D转换器、双积分型A/D转换器和V/F变换型A/D转换器。下面简要介绍这三种A/D转换器的基本原理。

1.

逐次逼近型A/D转换器的基本原理

逐次逼近型A/D转换器是较为常用的一种A/D转换器。它由比较器、参考电源、D/A转换器、逐次逼近寄存器与控制逻辑等部分组成。图7.12逐次逼近型A/D转换器的基本原理

2.

双积分型A/D转换器的基本原理

双积分型A/D转换器是一种高精度、低速度的转换器件，在各种实时性要求不高的测量仪表中有广泛应用。其基本原理是：把待转换的模拟电压V

A

变换成与之成比例的时间，并在此时间内用恒定频率的脉冲去计数，这样就将其转换为数字n；n

和V

A

也成正比，也称为模拟电压—时间间隔—数字量转换原理。双积分型A/D转换器的电路结构如图7.13

所示，它由积分器、计数器、比较器和逻辑控制电路组成。图7.13双积分型A/D转换器的电路结构图

双积分型A/D转换器的工作原理如图7.14

所示。转换器先将计数器复位，积分电容Ｃ完全放电后，其工作分为两个阶段：

在第一阶段，首先对输入模拟电压进行固定时间的积分，积分结束后积分器的输出电压为V；然后在此基础上对该电压按照一个固定的斜率（取决于参考电压）进行第二阶段的反向积分，并记录积分器输出由V

降为0

的时间。图7.14双积分型A/D转换器的工作原理

双积分型A/D转换过程中进行两次积分，具有如下优点：

·抗干扰能力强。尤其对工频干扰有较强的抑制作用，只要选择定时器积分时间为20ｍs

的整数倍即可。

·具有较高的转换精度。这主要取决于计数脉冲周期，计数脉冲频率越高，计数精度也就越高。

·电路结构简单。对积分元件R、Ｃ参数精度要求不高，只要稳定性好即可。

·编码方便。数字量输出既可以是二进制，也可以是BCD码，仅取决于计数器的计数规律。

3.

V/F变换型A/D转换器的基本原理

V/F变换是把电压信号转变为频率信号，其核心部件是电压—频率（V/F）变换器。它是将待转换的模拟电压信号先变换为脉冲信号，该脉冲信号的频率与信号幅值成正比，然后在一段标准时间内，用计数器累计所产生的脉冲数，从而实现A/D转换，这就是电压—频率—数字转换原理。

V/F变换器内部电路图如图7.15（ａ）所示。图7.15

V/F变换器

图7.16

给出了完整的V/F变换型A/D转换器的工作原理图。时基电路产生若干精确的时间间隔，即时基信号，通常取10

s、1

s

或0.1

s

等。计数器的计数值经锁存器锁存后输出，完成A/D转换全部过程。图7.16

V/F变换型A/D转换器的工作原理图

V/F变换型A/D转换器具有以下优点：

·由于应用了积分电容，具有很好的抗干扰性。V/F变换本身是一个积分过程，用V／F变换器实现A/D变换就是频率计数过程，相当于在计数时间内对频率信号进行积分，因而具有较强的抗干扰能力。

·具有良好的线性度和较高的分辨率。数字位数与时基信号持续时间T有关，T越长，则转换数字量的位数就越多。

·电路结构简单。对外接电容Ｃ要求不高，只要求保持良好的稳定性即可。

·接口简单、占用计算机硬件资源少。频率信号可输入CPU的任一个I/O端口或作为中断及计数输入等。

·便于远距离传输。由于频率量是开关信号，因此可以长距离传输而不受干扰。

由于以上这些特点，V/F变换器应用于一些非快速而需进行较长距离信号传输的Ａ／D转换过程，此外还可以简化电路、降低成本、提高性价比。

上述三种A/D转换方法各有特点，不同的性能使它们各自适用于不同的应用场合。双积分型ADC属于间接转换，其特点是精度高、价格便宜，抗干扰能力强，但转换速率较低。由于双积分型ADC是利用平均值转换，因此对于常态干扰的抑制能力较强，常用于数字电压表等低速场合。

7.3.3

Ａ/D

转换性能指标

Ａ/D

转换可以有多种实现方式，但它们的性能特点和价格有很大差异。因此在选用时应注意各种A/D转换器的主要性能是否满足应用要求，以及在价格上是否合理。ＡD

转换器的性能指标主要有以下几个方面。

1.

分辨率

ADC的分辨率是指能分辨的输入模拟量的最小值，即输出数字量最低位LSB

由1→0或由0→1

变化时输入模拟量变化的最小值，是A/D输出的二进制或十进制数的位数，也是A/D转换器理论上能达到的精度。分辨率通常用二进制位数来表示。

2.

转换速率

ADC的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而完成一次A/D转换所需要的时间，则是转换速率的倒数。ADC的转换速率与A/D转换原理相关，双积分型ADC转换速率较慢，而逐次逼近型ADC转换速率较快。

3.

量化误差

量化误差是由ADC的有限分辨率所引起的误差。A/D转换的结果只能是有限数量的定值，而模拟信号的取值则是无限的。一个分辨率有限的ADC的阶梯状输入输出特性曲线与具有无限分辨率的ADC输入输出特性曲线（直线）之间的最大偏差，称为量化误差，如图7.17

所示。

图7.17

ADC的输入输出特性与量化误差

4.

转换精度

ADC的转换精度有绝对精度和相对精度之分。

所谓绝对精度是指在ADC的整个量程范围内，所对应的模拟信号值与实际值之差的最大值，也就是ADC输出数值偏离线性最大的距离，单位是LSB，它包括所有的误差。相对精度是绝对精度与满量程输入信号的百分比。

应当注意，精度和分辨率是两个不同概念。精度是指转换后所得到的实际值相对于理论值的误差或接近程度；而分辨率则是指能够对转换结果发生影响的最小输入量。

引起ADC误差的原因除了量化误差以外，还有设备误差。由ADC各种元件的非理想特性造成的误差称为设备误差，主要有以下几种。

（1）偏移误差。偏移误差指ADC的最低有效位为1

时，其实际输入电压与理论输入电压之差。

（2）满刻度误差。满刻度误差又称为增益误差。

（3）线性度。线性度有时也称为非线性度，它是指ADC实际的输入输出特性曲线与理想直线的最大偏差。

7.3.4多通道数据采集

在计算机测量和控制系统中，很多时候需要对多种参数进行采集和控制，为了节省硬件，可以共用同一个A/D或D/A转换器，实现多个回路的多参数的采集、转换和控制。解决多个回路和A/D或D/A转换器之间的切换问题的硬件设备称作多路模拟开关。

图7.18

所示是一个多回路分时共用Ａ／D、D/A转换器的多路模拟开关框图。图中，在模拟量输入端和模拟量输出端都分别用到了多路模拟开关，但是两个多路模拟开关作用不同。在模拟量输入通道中实现的是“多选一”形式，即多路模拟开关的输入是多路待转换的模拟量，每次只能选其中的一路，该通路经采样保持器，送到A/D转换器进行转换后，送入计算机进行处理。在模拟量输出通道中实现的是“一到多”形式，即D/A转换器输出的模拟控制信号，经过多路模拟开关变换，被送到多个控制对象中的某一个上。图7.18多回路分时共用Ａ／D、D/A转换器框图

7.4

STM32的ADC

STM32芯片内部集成有12

位的A/D转换器，该ADC是一种逐次逼近型模／数转换器。它有多达18

个通道，可测量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储存在16

位的寄存器中。ADC的输入时钟不得超过14

MHZ，它是由ＰＣＬＫ2

经分频产生的。

7.4.1

STM32ADC功能简介

·12

位分辨率

·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

·单次和连续转换模式

·从通道0

到通道n

的自动扫描模式

·自校准

·带内嵌数据一致性的数据对齐

·采样间隔可以按通道分别设置

·规则转换和注入转换均有外部触发选项

·间断模式

·双重模式（带2

个或以上ADC的器件）

·ADC转换时间：1μs～2μs

·ADC供电要求：2.4～3.6

V；

·ADC输入范围：V

REF－≤V

in≤V

REF+

·规则通道转换期间有DＭＡ请求产生

图7.19

所示为一个ADC模块的框图，其引脚说明见表7.1。图7.19

ADC模块框图

根据STM32产品不同，ADC转换器个数不等，最多有3

个，分别是ADC1、ADC2和ADC3。每个ADC转换器都可以独立工作，分配了与之对应的通道和I/O引脚，如表7.2

所示。例如通道0，描述为ADC123_Ｉn0，引脚PA0，表示使用PA0

引脚作为模拟量输入的ADC通道0，ADC1、ADC2

和ADC3

都可以使用。通道16

为内部温度传感器输入，通道17为V

REFINT内部参考电压输入，温度传感器和V

REFINT只能使用ADC1

进行转换。

所有输入通道被分成规则通道（最多16

通道）和注入通道（最多4

通道）两类，注入通道的转换结果分别存放于4

个16

位数据寄存器中，而所有的规则通道则共用一个16

位的数据寄存器。除此以外，两通道的触发控制和转换结束的标志信号都有不同，注入组的控制和状态信号一般都以字母Ｊ开头。

需要注意ADC3

的规则转换和注入转换与ADC1

和ADC2

的不同；TIM8_ＣＨ4

和TIM8_ＴRＧO

及它们的重映射位只存在于大容量产品中。

7.4.2

STM32ADC的工作模式

STM32的ADC有多种转换工作模式，功能十分强大。如图7.20

所示，单通道单次转换可用于系统初始时检测某些外部条件是否满足，从而决定系统是否启动。而多通道连续转换则在ADC初始化完成后经一次触发后自动连续转换，CPU只需要在转换完成后从ADC的数据寄存器中取走结果。在这些工作方式的支持下，STM32的ADC将许多原来由应用软件完成的工作变成由硬件实现，大大简化了应用程序，节约了CPU的运行时间。

特别是在连续转换工作模式下，配合DＭＡ控制器可将A/D转换结果自动搬运到指定的内存空间，CPU不参与A/D转换结果的读取和转换的启动，让ADC全自动化地工作，把CPU的负荷降到最低。图7.20

STM32ADC的基本工作模式

1.

独立ADC和双ADC模式

含有2

个或以上ADC模块的STM32产品，可以采用双ADC模式，也可以采用独立ADC模式。在独立ADC模式下，每个ADC模块可以独立工作，但不能同步。在双ADC模式下，可实现同步触发和交替触发等很多种不同模式。这些模式在STM32参考手册中有详细介绍。本节只讨论独立ADC模式。

2.

规则通道和注入通道

STM32的每个ADC模块都是通过内部的模拟多路开关，切换到不同的输入通道进行采样与转换。为了避免在程序中频繁切换通道的麻烦，STM32引入了成组转换的工作原理，可以由程序预先设置好待转换的通道后，对多个模拟通道自动地进行逐个采样和转换。按照功能不同将输入通道分成了规则通道组和注入通道组。

1）规则通道

规则通道组最多可以安排16

个通道，最少要安排1

个通道，多于1

个通道的称为多通道数据采集，只有1

个通道的称为单通道数据采集。规则通道组个数要写入ADC_SQR1

寄存器的L［3：0］位中，而它们的转换顺序要写入ADC_SＱR1～ADC_SＱR3

寄存器中，规则通道的触发方式在ADC_ＣR2

寄存器中的ＥＸTSEL［2：0］位中配置。

2）注入通道

注入通道组最多可以安排4

个通道，如果启用注入通道，最少要安排1

个通道。注入通道的个数要写入ADC_JSQR寄存器的L［1：0］位中，而它们的转换顺序要写入ADC_JSQR

寄存器中，注入通道的触发方式在ADC_ＣR2

寄存器中的ＪＥＸTSEL［2：0］位中配置。

3.

单次转换模式

在单次转换模式下，ADC只执行一次转换。将ADC_ＣR2

寄存器中的CONT位置0

可选择单次转换模式。该模式既可通过软件启动（只使用规则通道），也可以通过外部触发启动（适用于规则通道和注入通道），启动一次转换一次，一旦转换完成，则：

（1）如果是规则通道被转换：转换结果存储在16

位的寄存器ADC_DR

中，置转换结束标志位EOＣ＝1，如果使能了中断EOCIE，则产生中断，然后ADC停止工作。

（2）如果是注入通道被转换：转换结果存储在16

位的寄存器ADC_CRJ1

中，注入转换结束标志位JＥOＣ＝1，如果使能了中断JEOCIE，则产生中断，然后ADC停止工作。

4.

连续转换模式

在连续转换模式中，当前面一次ADC转换结束后，马上启动另一次转换。将ADC_ＣR2

寄存器中的ＣOnT位置1

可选择连续转换模式，此模式可通过外部触发启动或软件触发启动，一旦启动后，ADC执行转换，转换结果存入ADC_DR

寄存器中，如果使能中断则产生中断信号，ADC会继续启动下一次的ADC转换，一直循环往复。由于规则通道共用一个结果数据寄存器，如果规则通道的ADC_DR

寄存器中的数据没有及时取走，数据会被下一次的转换结果替换。

5.

扫描模式

扫描模式用来扫描一组模拟通道，该模式可通过设置ADC_CR1

寄存器中SCAN

位设置，SCAN＝0

表示关闭扫描模式，SCAN＝1

表示开启扫描模式。

6.

间断模式

间断模式是对多通道转换序列的一个补充，间隔长度为n（n≤8），它必须由外部事件触发。

7.4.3

STM32ADC的转换

1.

ADC数据格式

1）规则通道

在规则通道模式下，ADC转换结果存放在ADC_DR

中。

2）注入通道

在注入通道模式下，ADC转换结果要减去存放在ADC_JOFRｘ寄存器中定义的偏移量，最终结果写入ADC_JDRｘ寄存器（ｘ＝1～4

对应选择的注入通道号）。

2.

可编程采样时间

ADC使用若干个ADC_CLK

周期对输入电压进行采样，采样周期数目可以通过ADC_sMPR1

和ADC_sMPR2

寄存器中的SMP［2：0］位更改。每个通道可以分别用不同的时间采样。总转换时间计算如下：TCONV

＝采样时间＋12.5

个周期。

3.

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，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。通过设置ADC_CR2

寄存器的CAL

位启动校准。一旦校准结束，CAL

位被硬件复位，可以开始正常转换。建议在上电时执行一次ADC校准。校准阶段结束后，校准码存储在ADC_DR

中。

4.

转换启动

ADC启动可以由软件触发，也可以由外部事件触发（例如定时器捕获、EXTI

线）。如果设置了EXTTRIG

控制位，则外部事件就能够触发转换。EXTTSEL［2：0］和JEXTSEL［2：0］控制位允许应用程序选择8

个可能事件中的某一个，EXTSEL［2：0］位设置规则通道组触发源，JEXTSEL［2：0］位设置注入通道组触发源的采样。规则通道和注入通道触发源清单如表7.3

所示，