STM32F103ZE ADC_DAC转换电路设计高级教程


参考资源链接：[STM32F103ZE全面外围电路原理图详解](https://wenku.csdn.net/doc/64783353d12cbe7ec32dd963?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103ZE基础概述

STM32F103ZE是ST公司生产的一款高性能的ARM Cortex-M3微控制器，广泛应用于工业控制、医疗设备等领域。它的核心工作频率可达72MHz，内置32位的高速处理器，并带有丰富的外设接口，使其在实时数据处理与复杂控制算法的实现中表现出色。本章我们将从STM32F103ZE的基本架构和特性入手，对其整体性能进行概述，为后续章节深入学习ADC和DAC转换原理打下基础。我们还将介绍STM32F103ZE的典型应用场景，帮助读者更好地理解其在实际工作中的应用价值。

# 2. ADC和DAC转换原理

在现代电子系统中，模拟信号与数字信号之间的转换是一个基本而关键的功能，这对于微控制器（如STM32F103ZE）而言尤为重要。本章将深入探讨ADC和DAC转换原理，以及如何在STM32F103ZE上应用这些原理。

## 2.1 模拟信号与数字信号的转换基础

### 2.1.1 信号的采样与量化

模拟信号与数字信号之间的转换始于采样与量化。采样是指将连续时间信号转化为离散时间信号的过程，而量化则是将连续幅值信号转化为离散幅值信号的过程。在实际应用中，采样和量化是一个同时发生的步骤。

采样定理由奈奎斯特定理给出，它表明如果一个信号的频率不超过f，则该信号可以通过频率为2f的采样信号来完全重建。为确保准确重建，采样频率应至少是信号中最高频率成分的两倍，这一条件也被称为奈奎斯特频率。

量化涉及到模拟信号幅值的离散化。根据量化位数的不同，可以得到不同精度的数字信号。量化误差是不可避免的，它是转换过程中的固有噪声。为了减小这种误差，可以通过提高采样率和增加量化位数来实现。

### 2.1.2 采样定理与信号重建

采样定理为我们提供了一个理论基础，让我们知道在不丢失信息的前提下，信号可以以多快的速度被采样。当我们将采样信号通过一个低通滤波器时，我们可以从离散信号中恢复出原始的连续信号。这个过程称为信号重建或信号插值。

在实际应用中，完美的重建是不可能的，因为采样和量化带来的失真。数字信号处理中常见的方法包括数字滤波和插值算法，用来减少这些失真。例如，通过使用更复杂的插值算法，我们可以更精确地重建信号，尽可能接近原始模拟信号。

## 2.2 STM32F103ZE的ADC转换

### 2.2.1 STM32F103ZE ADC架构与特点

STM32F103ZE集成了一个高性能的12位模数转换器（ADC），它具备高速度和多通道的特点。这款ADC支持多达16个通道，并能以最高1Msps（每秒百万次采样）的速率进行转换。此外，它包含了一个多重采样和保持功能，允许同时采样多个模拟通道。

其主要特点包括：

- 多种分辨率模式：8/10/12位可选。
- 独立的转换器时钟，提供灵活的控制。
- 支持数据对齐：右对齐、左对齐。
- 内置温度传感器和内部参考电压，方便进行温度监测或校准。
- 多种触发源，包括软件触发、定时器触发和外部触发。

### 2.2.2 ADC配置与编程方法

要在STM32F103ZE上配置ADC，需要进行几个步骤：

1. **时钟配置**：使能ADC时钟并配置ADC时钟预分频器，以确保ADC模块能正常工作。
2. **ADC初始化**：设置ADC分辨率、数据对齐方式、扫描模式等。
3. **通道配置**：配置所需通道，设置采样时间等参数。
4. **触发源设置**：设置软件触发或硬件触发，如定时器触发。
5. **启动转换**：启动ADC转换并等待转换结束。
6. **读取数据**：获取转换结果并进行处理。

代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"

ADC_HandleTypeDef hadc;

void MX_ADC_Init(void)
{
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  ADC_InjectionConfTypeDef sConfigInjection = {0};

  hadc.Instance = ADC1;
  hadc.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
  hadc.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
  hadc.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
  hadc.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc.Init.NbrOfConversion = 1;
  HAL_ADC_Init(&hadc);

  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
  sConfig.Rank = 1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc, &sConfig);
}

int main(void)
{
  HAL_Init();
  MX_ADC_Init();
  HAL_ADC_Start(&hadc); // Start the ADC conversion
  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc, HAL_MAX_DELAY); // Wait for the ADC conversion to be completed
  uint32_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc); // Read the ADC converted value

  while (1)
  {
  }
}

在此代码段中，初始化ADC1，配置其为单通道转换模式，并设置通道0进行采样。通过调用`HAL_ADC_Start()`启动ADC转换，然后通过`HAL_ADC_PollForConversion()`等待转换完成。最后，通过`HAL_ADC_GetValue()`读取转换结果。

## 2.3 STM32F103ZE的DAC转换

### 2.3.1 STM32F103ZE DAC架构与特点

STM32F103ZE也内置了一个12位的数字模拟转换器（DAC），提供两个独立的DAC输出通道。DAC转换器具备较高的精度和较小的输出噪声，适用于需要精确模拟输出的场合，如音频设备和信号发生器。

DAC模块的主要特点包括：

- 12位分辨率，提供了良好的转换精度。
- 可以配置为单路或双路独立模式。
- 具有输出缓冲功能，允许驱动较大的负载。
- 可与定时器配合实现波形生成，如锯齿波、正弦波等。
- 可以设置触发源，包括软件触发和外部触发。

### 2.3.2 DAC配置与编程方法

配置STM32F103ZE的DAC模块，需要遵循以下步骤：

1. **时钟配置**：使能DAC时钟。
2. **DAC初始化**：设置DAC的模式和波形类型。
3. **启动DAC输出**：使能DAC通道输出。
4. **写入数据**：通过DAC寄存器写入数据，产生对应的模拟电压。

代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"

DAC_HandleTypeDef hdac;

void MX_DAC_Init(void)
{
  DAC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  __HAL_RCC_DAC_CLK_ENABLE();

  hdac.Instance = DAC;
  HAL_DAC_Init(&hdac);

  sConfig.DAC_Trigger = DAC_TRIGGER_NONE;
  sConfig.DAC_OutputBuffer = DAC_OUTPUTBUFFER_ENABLE;
  HAL_DAC_ConfigChannel(&hdac, &sConfig, DAC_CHANNEL_1);
}

void SetDACChannel1(uint16_t value)
{
  HAL_DAC_SetValue(&hdac, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, value);
}

int main(void)
{
  HAL_Init();
  MX_DAC_Init();
  SetDACChannel1(2047); // Set voltage to 2047/4095 * VDDA

  while (1)
  {
  }
}

在这段代码中，首先初始化DAC模块，配置DAC通道1的输出缓冲。然后通过`SetDACChannel1()`函数写入数据，设定DAC输出电压。这里将值设为2047，代表输出电压为VDDA（ADC参考电压）的2047/4095。

以上介绍了STM32F103ZE微控制器中的ADC和DAC转换器的基本架构与特点，并且通过代码示例展示了如何在实际项目中进行配置和使用。在接下来的章节中，我们将深入探讨硬件设计要点，并探索软件编程与优化的方法。

# 3. 硬件设计要点

## 3.1 ADC电路设计

### 3.1.1 输入信号的调理

在设计ADC电路时，输入信号的调理是一个关键步骤，它直接影响到ADC的采样质量和精度。首先，必须确保输入信号的幅度在ADC的输入范围内。对于STM32F103ZE这类微控制器，其ADC模块通常支持0至3.3伏的输入范围。

调理过程中，通常需要一个低通滤波器来滤除高频噪声，确保输入信号尽可能地平滑。此外，模拟信号的偏置电压需要调整到接近ADC参考电压的一半，以优化ADC的动态范围和精度。为了达到这一目的，可以使用电压分压器或运算放大器电路来对输入信号进行适当调整。

### 3.1.2 滤波器设计与应用

滤波器的设计对于减少噪声和提高信号质量至关重要。在ADC电路中，低通滤波器（LPF）用于抑制高于采样率一半的频率信号，防止发生混叠现象。高通滤波器（HPF）有时也被用于移除直流分量或低频噪声。

滤波器的设计可以根据所需的截止频率和滤波阶数来选择。一个简单的一阶RC滤波器就可以在某些应用场景下有效地工作。对于更复杂的应用，可能需要使用多阶滤波