STM32F1 ADC主要特性和结构框图解析

STM32F1 ADC简介

ADC（analog to digital converter）即模数转换器，它可以将模拟信号转换为数字信号。按照其转换原理主要分为逐次逼近型、双积分型、电压频率转换型三种。STM32F1 的 ADC 就是逐次逼近型的模拟数字转换器。

STM32F103 系列一般都有 3 个 ADC，这些 ADC 可以独立使用，也可以使用双重/三重模式（提高采样率）。STM32F1 的 ADC 是 12 位逐次逼近型的模拟数字转换器。它具有多达 18 个复用通道，可测量来自 16 个外部源、2 个内部信号源。 这些通道的 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。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出用户定义的阀值上限或者下限。

STM32F1 ADC 主要特性：

● 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编程

● 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：

─ STM32F103xx 增强型产品：时钟为 56MHz 时为 1μs（时钟为 72MHz 为 1.17μs）

─ STM32F101xx 基本型产品：时钟为 28MHz 时为 1μs（时钟为 36MHz 为 1.55μs）

─ STM32F102xxUSB 型产品：时钟为 48MHz 时为 1.2μs

─ STM32F105xx和STM32F107xx产品：时钟为56MHz时为1μs（时钟为72MHz为 1.17μs）

● ADC 供电要求： 2.4V 到 3.6V

● ADC 输入范围： VREF- ≤ VIN ≤ VREF+

● 规则通道转换期间有 DMA 请求产生。

STM32F1 ADC 结构框图

STM32F1 ADC 拥有这么多功能，是由 ADC 内部结构所决定。要更好地理解STM32F1 的 ADC，就需要了解它内部的结构。如图 28.1.1 所示：

我们把 ADC 结构框图分成 7 个子模块，按照顺序依次进行简单介绍。

（1）标号 1：电压输入引脚

ADC 输入电压范围为： VREF- ≤ VIN ≤ VREF+。由 VREF-、 VREF+ 、VDDA 、 VSSA 这四个外部引脚决定。通常我们把 VSSA 和 VREF-接地，把 VREF+和 VDDA 接 3.3V，因此 ADC 的输入电压范围为：0~3.3V。我们使用的开发板 ADC输入电压范围为 0~3.3V。

如果我们想让 ADC 测试负电压或者更高的正电压，可以在外部加一个电压调理电路，把需要转换的电压抬升或者降压到 0~3.3V，这样 ADC 就可以测量了。但一定记住，不要直接将高于 3.3V 的电压接到 ADC 管脚上，那样将可能烧坏芯片。

（2）标号 2：输入通道

STM32 的 ADC 的输入通道多达 18 个，其中外部的 16 个通道就是框图中的 ADCx_IN0、ADCx_IN1.。.ADCx_IN5（x=1/2/3，表示 ADC 数），通过这 16 个外部通道可以采集模拟信号。这 16 个通道对应着不同的 IO 口， 具体是哪一个IO 口可以从数据手册查询到，也可以从图 28.1.2 查看，同样我们在开发板芯片原理图内也给大家标注了。其中 ADC1 还有 2 个内部通道：ADC1 的通道 16 连接到了芯片内部的温度传感器，通道 17 连接到了内部参考电压 VREFINT。ADC2 和ADC3 的通道 16、 17 全部连接到了内部的 VSS。

（3）标号 3：通道转换顺序

外部的 16 个通道在转换的时候可分为 2 组通道：规则通道组和注入通道组，其中规则通道组最多有 16 路，注入通道组最多有 4 路。

规则通道组：从名字来理解，规则通道就是一种规规矩矩的通道，类似于正常执行的程序。通常我们使用的都是这个通道。

注入通道组：从名字来理解，注入即为插入，是一种不安分的通道，类似于中断。当程序正常往下执行时，中断可以打断程序的执行。同样如果在规则通道转换过程中，有注入通道插队，那么就要先转换完注入通道，等注入通道转换完成后，再回到规则通道的转换流程。

每个组包含一个转换序列，该序列可按任意顺序在任意通道上完成。例如，可按以下顺序对序列进行转换： ADC_IN3、ADC_IN8、 ADC_IN2、 ADC_IN2、ADC_IN0、 ADC_IN2、 ADC_IN2、 ADC_IN15。规则通道组序列寄存器有 3 个，分别是 SQR3、 SQR2、 SQR1。 SQR3 控制着规则序列中的第一个到第六个转换，对应的位为：SQ1［4:0］~SQ6［4:0］，第一次转换的是位 4:0 SQ1［4:0］，如果通道 3 想第一次转换，那么在 SQ1［4:0］写 3即可。SQR2 控制着规则序列中的第 7 到第 12 个转换，对应的位为：SQ7［4:0］~SQ12［4:0］，如果通道 1 想第 8 个转换，则 SQ8［4:0］写 1 即可。SQR1 控 制 着 规 则 序 列 中 的 第 13 到 第 16 个 转 换 ， 对 应 位 为 ： SQ13［4:0］~SQ16［4:0］，如果通道 6 想第 10 个转换，则 SQ10［4:0］写 6 即可。具体使用多少个通道，由 SQR1 的位 L［3:0］决定，最多 16 个通道。

注入通道组序列寄存器只有一个，是 JSQR。它最多支持 4 个通道，具体多少个由 JSQR 的 JL［2:0］决定。注意：

当 JL［1:0］ = 3（有 4 次注入转换）时， ADC 将按以下顺序转换通道：JSQ1［4:0］、JSQ2［4:0］、 JSQ3［4:0］ 和 JSQ4［4:0］。

当 JL = 2 （有 3 次注入转换）时，ADC 将按以下顺序转换通道：JSQ2［4:0］、JSQ3［4:0］ 和 JSQ4［4:0］。

当 JL = 1 （有 2 次注入转换）时，ADC 转换通道的顺序为：先是 JSQ3［4:0］，而后是 JSQ4［4:0］。

当 JL = 0（有 1 次注入转换）时， ADC 将仅转换 JSQ4［4:0］ 通道。

如果在转换期间修改 ADC_SQRx 或 ADC_JSQR 寄存器，将复位当前转换并向ADC 发送一个新的启动脉冲，以转换新选择的通道组。

（4）标号 4：触发源

选择好输入通道，设置好转换顺序，接下来就可以开始转换。要开启 ADC转换，可以直接设置 ADC 控制寄存器 ADC_CR2 的 ADON 位为 1，即使能 ADC。当然 ADC 还支持外部事件触发转换，触发源有很多，具体选择哪一种触发源，由 ADC控制寄存器 2:ADC_CR2 的 EXTSEL［2:0］和 JEXTSEL［2:0］位来控制。EXTSEL［2:0］用于选择规则通道的触发源，JEXTSEL［2:0］用于选择注入通道的触发源。选定好触发源之后，触发源是否要激活，则由 ADC 控制寄存器 ADC_CR2 的 EXTTRIG 和JEXTTRIG 这两位来激活。

如果使能了外部触发事件，我们还可以通过设置 ADC 控制寄存器2:ADC_CR2 的 EXTEN［1:0］和 JEXTEN［1:0］来控制触发极性，可以有 4 种状态，分别是：禁止触发检测、上升沿检测、下降沿检测以及上升沿和下降沿均检测。

（5）标号 5：ADC 时钟

ADC 输入时钟 ADC_CLK 由 APB2 经过分频产生，最大值是 14MHz，分频因子由 RCC 时钟配置寄存器 RCC_CFGR 的位 15:14 ADCPRE［1:0］设置，可以是2/4/6/8 分频，注意这里没有 1 分频。我们知道 APB2 总线时钟为 72M，而 ADC最大工作频率为 14M，所以一般设置分频因子为 6，这样 ADC 的输入时钟为 12M。

ADC 要完成对输入电压的采样需要若干个 ADC_CLK 周期，采样的周期数可通过 ADC 采样时间寄存器 ADC_SMPR1 和 ADC_SMPR2 中的 SMP［2:0］位设置，ADC_SMPR2 控制的是通道 0~9， ADC_SMPR1 控制的是通道 10~17。每个通道可以分别用不同的时间采样。其中采样周期最小是 1.5 个，即如果我们要达到最快的采样，那么应该设置采样周期为 1.5 个周期，这里说的周期就是1/ADC_CLK。

ADC 的总转换时间跟 ADC 的输入时钟和采样时间有关，其公式如下：

Tconv = 采样时间 + 12.5 个周期

其中 Tconv 为 ADC 总转换时间，当 ADC_CLK=14Mhz 的时候，并设置 1.5 个周期的采样时间，则 Tcovn=1.5+12.5=14 个周期=1us。通常经过 ADC 预分频器能分频到最大的时钟只能是 12M，采样周期设置为 1.5 个周期，算出最短的转换时间为 1.17us，这个才是最常用的。

（6）标号 6：数据寄存器

ADC 转换后的数据根据转换组的不同，规则组的数据放在 ADC_DR 寄存器内，注入组的数据放在 JDRx 内。

因为 STM32F1 的 ADC 是 12 位转换精度，而数据寄存器是 16 位，所以 ADC在存放数据的时候就有左对齐和右对齐区分。如果是左对齐，AD 转换完成数据存放在 ADC_DR 寄存器的［4:15］位内；如果是右对齐，则存放在 ADC_DR 寄存器的［0:11］位内。具体选择何种存放方式，需通过 ADC_CR2 的 11 位 ALIGN 设置。

在规则组中，含有 16 路通道，对应着存放规则数据的寄存器只有 1 个，如果使用多通道转换，那么转换后的数据就全部挤在 ADC_DR 寄存器内，前一个时间点转换的通道数据，就会被下一个时间点的另外一个通道转换的数据覆盖掉，所以当通道转换完成后就应该把数据取走，或者开启 DMA 模式，把数据传输到内存里面，不然就会造成数据的覆盖。 最常用的做法就是开启 DMA 传输。如果没有使用 DMA 传输，我们一般通过 ADC 状态寄存器 ADC_SR 获取当前 ADC 转换的进度状态，进而进行程序控制。

而在注入组中，最多含有 4 路通道，对应着存放注入数据的寄存器正好有 4个，不会跟规则寄存器那样产生数据覆盖的问题。

（7）标号 7：中断

当发生如下事件且使能相应中断标志位时，ADC 能产生中断。

1.转换结束（规则转换）与注入转换结束

数据转换结束后，如果使能中断转换结束标志位，转换一结束就会产生转换结束中断。

2.模拟看门狗事件

当被 ADC 转换的模拟电压低于低阈值或者高于高阈值时，就会产生中断，前提是我们开启了模拟看门狗中断，其中低阈值和高阈值由 ADC_LTR 和ADC_HTR 设置。

3.DMA 请求

规则和注入通道转换结束后，除了产生中断外，还可以产生 DMA 请求，把转换好的数据直接存储在内存里面。要注意的是只有 ADC1 和 ADC3 可以产生DMA 请求。一般我们在使用 ADC 的时候都会开启 DMA 传输。我们知道 STM32F1 ADC 转换模式有单次转换与连续转换区分。

在单次转换模式下，ADC 执行一次转换。可以通过 ADC_CR2 寄存器的SWSTART 位（只适用于规则通道）启动，也可以通过外部触发启动（适用于规则通道和注入通道），这时 CONT 位为 0。以规则通道为例，一旦所选择的通道转换完成，转换结果将被存在 ADC_DR 寄存器中，EOC（转换结束）标志将被置位，如果设置了 EOCIE，则会产生中断。然后 ADC 将停止，直到下次启动。

在连续转换模式下，ADC 结束一个转换后立即启动一个新的转换。CONT 位为 1 时，可通过外部触发或将 ADC_CR2 寄存器中的 SWSTRT 位置 1 来启动此模式（仅适用于规则通道）。需要注意的是：此模式无法连续转换注入通道。连续模式下唯一的例外情况是，注入通道配置为在规则通道之后自动转换（使用JAUTO 位）。

审核编辑 黄昊宇