L4 ADC 模数转换基础

本课目标

理解连续电压如何变为 12 位数字量，能配置采样通道、完成校准与轮询采样，并用 Stellaris-Nexus 的 PA5 / ADC_IN5 电位器验证结果。

一、ADC是什么

1 ADC与DAC

ADC（Analog to Digital Converter，模拟->数字信号转换器）。

与此相对应的还有DAC（Digital to Analog Converter，数字->模拟信号转换器）。

2 模拟信号与数字信号

模拟信号：自然界中，连续变化的信号，时间幅度都连续，它可以在一个范围内取无限多个值。

从电压角度看：电压0-3.3V，可能是0.2V、1.23V....无数种可能取值。

数字信号：计算机中离散变化的信号，时间和幅度只取有限的状态。

从电压角度看：单片机中，0V→表示0，3.3V→表示1

为了能让计算机处理自然界中的信号，我们要将模拟信号转换为数字信号，这个转换工具就是ADC。

二、STM32F103C8T6中的ADC转换原理

ADC1和ADC2，12位逐次逼近型ADC。

1 采样深度

采样深度：用多少位二进制数表示转换结果。可理解为精度、分辨率。

一般单片机都是10位或12位，也有一些更好的是14位或16位，位数越多，转换精度越好。

如        

2 逐次逼近型

（P.S.插播一条，通信原理里的PCM编码差不多也是这么个算法）

ADC 类型	工作原理	优点	缺点	应用
逐次逼近型 (SAR)	逐次逼近算法，每次比较输入电压与内部基准电压，逐步逼近输入电压	速度适中，功耗低，分辨率高（8-18 位）	—	数据采集系统、传感器接口
内存型 (Flash)	使用并行比较器同时比较输入电压和一组参考电压	转换速度非常快（纳秒级），分辨率有限（4-8 位）	电路复杂，成本高，功耗大	高速数据采集、视频信号处理
积分型 (Integrating)	对输入信号进行积分，然后比较积分结果与参考电压	高精度，适合低频信号	转换速度慢	精密测量仪器，如数字电压表
Σ-Δ (Sigma-Delta)	利用超采样和数字滤波，通过调制和积分实现高分辨率转换	非常高的分辨率（16-24 位），噪声性能好	转换速度慢，延迟高	高精度音频设备、精密测量仪器
流水线 (Pipeline)	将转换过程分为多个阶段，每个阶段逐步提高分辨率	中高速度和高分辨率，转换速度比逐次逼近型快，分辨率高于闪存型	电路复杂，延迟较	通信系统、高性能数据采集
双积分型 (Dual Slope)	先对输入信号积分一定时间，然后对基准电压反向积分，比较结果	高精度，对电源噪声和信号噪声不敏感	转换速度慢	高精度测量设备，如高精度数字万用表

---

用天平理解“逐次逼近型 12 位 ADC”

假设：

• 你有一个双盘天平

• 你要称一个石头的重量

• 这块石头重量在 0 ~ 4095 克之间

• 你最多只能放 12 次砝码（最大的砝码是 2^11 = 2048 g）

（因为 2¹² = 4096，这就是 12 位）

称重规则

每次你需要知道：

石头重 ？ 还是砝码重 ？

也就是说：

• 左边下沉 → 石头重

• 右边下沉 → 砝码重

你只能得到“大小关系”。

第一步：放最大砝码

你先放一个 2048g 砝码（总范围的一半）。

问：

石头比 2048g 重吗？

• 如果石头更重 → 保留 2048g

• 如果石头更轻 → 拿走 2048g

这一步就确定了 最高位是 1 还是 0

第二步：放 1024g

在刚才的基础上：

再放一个 1024g 砝码。

再看天平：

• 如果石头还是更重 → 保留

• 如果变成砝码重 → 换一个小的

这一步确定第二位

接下来依次放：

• 512g

• 256g

• 128g

• 64g

• 32g

• 16g

• 8g

• 4g

• 2g

• 1g

一共 12 个砝码。

最终效果

经过 12 次比较，

你就知道每个砝码该不该保留。

这些保留下来的砝码总重量，

就是石头的重量。

二进制怎么来的？

比如最后你保留了：

2048 + 512 + 256 + 128 + 32 + 16 + 8

那就表示：

1011 0111 1000（二进制）

这就是 ADC 输出的 12 位数字。

和 ADC 对应关系

天平	ADC内部
石头	输入的模拟电压
砝码	二进制数
看哪边下沉	比较器
决定保留砝码	逐次逼近寄存器

---

为什么叫“逐次逼近”？

因为它：

✔ 从最大砝码开始 ✔ 每次试探一个砝码 ✔ 一位一位确定 ✔ 一步步逼近真实值

逐次逼近型 12 位 ADC 就像用 12 个不同重量的砝码，通过天平比较，一步步确定物体的真实重量。

---

怎么转换回标准电压？

假设上面这个二进制数是由模拟电压转换来的

1011 0111 1000（二进制）

十进制：

= 2¹¹ + 2⁹ + 2⁸ + 2⁶ + 2⁵ + 2⁴ + 2³
= 2048 + 512 + 256 + 64 + 32 + 16 + 8
= 2936(10)

乘分辨率：

(2936 / 4095)* 3.3V = 2936 * (3.3V / 4095) = 2.37V

3 采样保持电路

逐次逼近转换不是瞬间完成的，它需要多个时钟周期。

如果在转换期间输入电压仍在变化：

• 比较器每次比较的基准会不同

• 转换结果会失真

因此必须：

先采样固定电压 → 再进行转换。

3.1采样过程（Sampling）

当 ADC 进入采样阶段时：

• 模拟开关闭合

• 输入信号与采样电容连通

此时：

• 电容电压会向输入电压变化

• 直到两者相等（或非常接近）

采样结束时，电容上的电压等于输入电压在该时刻的值。

3.2保持过程（Hold）

当采样时间结束：

• 模拟开关断开

• 电容与输入信号断开

此时：

• 电容电压不再跟随输入变化

• 该电压保持为采样瞬间的值

这个电压被送入比较器，用于后续逐次逼近转换。

4 转换过程总结

• 参考电压：3.3V

• 4位ADC（图中 b3~b0）

• 分辨率：

(3.3V−0)÷15=0.22V

• 当前采样电压：2.21V

（1）采样保持完成

采样阶段结束后：

• 电容电压 = 2.21V

• 开关断开

• 此电压送入比较器正端

后续逐次逼近过程中，这个 2.21V 不再变化。

（2）逐次逼近开始（从最高位开始）

采用“先试最高位”的方式。

第一步：确定 b3（最高位）

b3 对应权重：

2^3 = 8

对应电压：

8×0.22V=1.76V

试探：

输出 = 1.76V

比较：

2.21V > 1.76V

结论：

b3 = 1 保留 1.76V

第二步：确定 b2

b2 权重：

2^2 = 4

对应电压：

4×0.22V=0.88V

试探：

当前已保留 1.76V

加入 0.88V：

1.76+0.88=2.64V

比较：

2.21V < 2.64V

结论：

b2 = 0 舍弃 0.88V

当前仍为 1.76V

第三步：确定 b1

b1 权重：

2^1 = 2

对应电压：

2×0.22V=0.44V

试探：

1.76+0.44=2.20V

比较：

2.21V > 2.20V

结论：

b1 = 1 保留 0.44V

当前总电压：

2.20V

第四步：确定 b0

b0 权重：

2^0 = 1

对应电压：

0.22V

试探：

2.20+0.22=2.42V

比较：

2.21V < 2.42V

结论：

b0 = 0

（3）最终结果

四位结果：

b3 b2 b1 b0=1 0 1 0

即：

1010（二进制）

转换为十进制：

8+2=10

对应模拟电压：

10×0.22V=2.20V

5 采样时间与转换时间

采样时间：开关闭合的时间长度

转换时间：对采样点进行转换所消耗的时间

5.1 ADC的时钟频率

一般ADC时钟不超过14MHz（ADC的工作原理决定了它在高频率采样时，其分辨率会有所下降，不考虑精度时也可以大于14MHz。）

5.2转换时间

1周期 (cycle)= 1 / 12MHz = 0.083us

转换时间 = 12cycle + 0.5cycle = 12.5cycle（12位逐次逼近型）

5.3采样时间

采样时间公式（了解）

Ts > (RAIN + RADC) × CADC × ln(2^(N+2)) × fADC

（cubemx）

1.5cycle 更快速

7.5cycle 更精确

三、STM32F103C8T6中的ADC工作原理

1 ADC的多路复用

多个输入共用一个 ADC 内核

这就是多路复用。

假设我们要采 PA0、PA1、PA2 三个通道：

软件选择通道0 模拟开关闭合通道0 进行一次采样 + 转换

软件切换到通道1 断开通道0 接通通道1 再次采样 + 转换

软件切换到通道2 重复上述过程

注意

（1）不是同时转换

虽然有很多输入通道，

但只有一个 ADC 内核，

因此：

实际是“轮流转换”

（2）每次切换通道都会重新采样

切换通道后：

• 采样电容会重新连接到新的输入

• 重新充电

• 再开始逐次逼近

2 常规序列与注入序列

2.1常规序列

2.2注入序列

通道更少、每个通道有单独的结果寄存器，优先级更高

2.3工作原理总结

区别与理解：

→不使用序列的方式：

一次只转换一个通道 通道切换由软件控制 转换顺序完全由程序决定 结构简单

→使用序列：

提前定义好一组通道顺序，让 ADC 自动按顺序依次转换。

四、软件编程

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_Start(ADC_HandleTypeDef *hADC);

作用：启动常规序列

闭合外部触发的开关

如果选择的是软件触发，则通过编程方式发送一个脉冲

HAL_StatusTypeDef HAL_ADC_PollForConversion(ADC_HandleTypeDef *hADC, uint32_t Timeout);

uint32_t HAL_ADC_GetValue(ADC_HandleTypeDef *hADC);

现象：

拧动电位器，电压采样将实时变化↓