ADC,即模数转换器(Analog-to-Digital Converter),在传感器领域,如温度、湿度、压力、声音等方面有广泛的应用。
ADC的种类繁多,而STM32内部集成的ADC采用的是逐次逼近型。尽管STM32是一款通用微控制器芯片,但其内部集成的ADC性能出色,不输给一些专用ADC芯片。
STM32 ADC的基础内容
STM32内部集成的ADC的性能与型号相关,可以有16位、12位等不同的ADC,内部可以集成多达4个ADC,支持的通道数可达40个甚至更多。
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ADC分辨率
分辨率决定了ADC转换的精度,在理论上,分辨率越高越好,但相应的价格也更高。
STM32内部集成的ADC最高可达到16位,即2的16次方,分辨率为65536。然而,只有少数型号的STM32集成了16位分辨率的ADC,大部分型号支持12位分辨率的ADC。
当然,为了提高转换速率,有时可以通过软件配置来选择较低的分辨率,如10位、8位或6位分辨率。
2. ADC采样率
采样率指每秒进行AD转换的次数,STM32的采样率由ADCK时钟,以及分频比决定。
不同型号的STM32,其ADCCLK时钟也有差异,具体可参看芯片对应的手册。
3. ADC通道
STM32的每个ADC有数条复用模拟输入通道,具体通道数因不同系列及型号而异。片内温度传感器、内部参考电压、VBAT还可以与内部模拟通道相连,便于测量和使用。
4. ADC数据对齐
STM32的AD转换后存储数据的对齐方式可通过软件配置成左对齐、右对齐。比如规则组12位分辨率左右对齐如下:
这里数据对齐还与规则组/注入组、分辨率等有关。
5.ADC触发方式
STM32触发ADC转换的方式有很多种,软件触发、外部事件(如定时器事件、 EXTI 中断事件)触发转换。
外部事件触发还分为上升沿和下降沿触发:
STM32 ADC基础内容及配置参数比较多,更多细节请查阅芯片对应的参考手册。
STM32 ADC 参数配置
STM32 ADC配置的参数相对较多,只要理解了ADC的基础内容,再结合STM32CubeMX或官方提供的例程,使用ADC就较容易了。
比如:最基础的单通道配置(默认配置):
1.STM32CubeMX
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2.标准外设库
ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);
ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4;
ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;
ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;
ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);
ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 1;
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_3Cycles);
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
这里结合STM32F4,STM32CubeMX和标准外设库描述了最基础的参数配置。
STM32CubeMX图形化工具配置起来很简单,但前提需要理解各参数的含义。
每项独立的参数其实不难理解,难在各项参数复合使用,比如:多通道、外部事件定时器触发、DMA等。
STM32 ADC 常见问题
STM32内部集成ADC是一个常用的模块,单通道简单采集电压比较容易,但多通道、高频次等一些特殊情况下,对软件和硬件的要求更高。
问题一:参考电压电阻问题
STM32部分型号芯片具有VREF+、 VREF-参考电压引脚。而且,参考电压必须低于VDDA电压。
实际应用存在 VREF+ 与 VDDA 之间通过电阻(比如10K)连接的情况,这样就会因电阻分压导致测量值存在偏差。
解决办法:VREF+ 与 VDDA通过0Ω电阻连接,同样,VREF- 与 VDDS也要通过0欧电阻连接。
问题二:输入引脚浮空问题
有工程师会会习惯性在外部信号和STM32引脚间加一个二极管。
如果外部电压为0时,在STM32引脚处的状态即为浮空状态,读取出来的电压就是一个不确定值(通常为1/2VDD电压)。
解决办法:去掉二极管,同时增加外围抗干扰电路。
问题三:多通道序列采集问题
在多通道采集时,采集电压都为序列中第一个的电压,通常是因为未理解规则组序列转换,因软件配置不对导致的问题。
解决办法:首先要使能扫描模式,再次要正确配置规则组序列。(同样的问题在使用DMA情况下也容易出现,需要正确理解连续转换这些细节问题)。
问题四:通道间串扰问题
使用 ADC 常规通道的扫描模式采集多路模拟信号时,可能存在各路信号转换相同结果的情况(实际各路电压不同)。
问题原因是相邻通道之间透过采样电容Cs发生了藕合。
当 ADC 的采样电容在两个通道之间进行切换时,电路类似如下图:
解决办法:增大 ADC 相邻两个通道采样之间的延时:ADC_TwoSamplingDelay.
问题五:****采样时间与外部输入阻抗不匹配
在做AD转换时,我们需考虑信号输入电路的阻抗,整体上,该阻值越大,为保证转换精度,所需采样时间就越长,STM32芯片可编程的采样时间是有限的,显然这个外部输入阻抗也是有上限的。关于这点,在STM32芯片数据手册里有关ADC特性的章节有详细解释,可以阅读。
解决办法:根据实际输入阻抗和具体应用来配置合适的采样时间。
复盘一下
▼ADC 基础内容:分辨率、采样率、通道、数据对齐、触发方式;
▼ADC 参数配置:结合STM32CubeMX工具或者例程配置参数;
▼ADC 常见问题:参考电压电阻问题、输入引脚浮空问题、多通道序列采集问题、通道间串扰问题;
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