STM32单片机ADC采样技术:揭秘模拟信号数字化
发布时间: 2024-07-04 07:28:54 阅读量: 112 订阅数: 66 


# 1. STM32单片机ADC概述**
STM32单片机内置模拟数字转换器(ADC),可将模拟信号(如电压、电流)转换为数字信号。ADC广泛用于测量传感器数据、控制闭环系统和数据采集。
STM32 ADC具有高精度、高采样率和低功耗的特点。它支持多种采样模式和通道配置,可满足各种应用需求。通过配置ADC寄存器,可以设置采样率、分辨率和触发源等参数。
# 2. ADC采样理论
### 2.1 模数转换原理
#### 2.1.1 量化和采样
模数转换器(ADC)将模拟信号(连续的电压或电流)转换为数字信号(离散的电压或电流)。转换过程涉及两个关键步骤:量化和采样。
**量化**将模拟信号的连续范围离散化为有限数量的离散值。ADC使用一组电压参考来定义这些离散值,将模拟信号映射到最近的离散值。
**采样**是将模拟信号在时间上离散化的过程。ADC以固定的采样率对模拟信号进行采样,即每秒采样的次数。采样率决定了ADC可以捕获信号变化的频率范围。
#### 2.1.2 采样率和分辨率
**采样率**是ADC每秒采样的次数,单位为赫兹(Hz)。采样率越高,ADC可以捕获的信号频率范围就越大。然而,更高的采样率也需要更高的处理能力和存储空间。
**分辨率**是ADC可以区分的最小电压或电流变化,单位为位。分辨率越高,ADC可以捕获的信号细节就越多。分辨率通常以位数表示,例如 12 位或 16 位。
### 2.2 ADC架构和类型
#### 2.2.1 SAR ADC
逐次逼近寄存器(SAR)ADC是一种广泛使用的ADC架构,因为它具有高分辨率和相对较低的成本。SAR ADC通过逐次比较模拟信号与内部电压参考来确定数字输出。
**工作原理:**
1. ADC将模拟信号与内部电压参考比较。
2. 如果模拟信号大于参考,则将最高有效位(MSB)设置为 1;否则设置为 0。
3. ADC将参考电压除以 2,并重复比较过程,将下一个有效位(LSB)设置为 1 或 0。
4. 此过程持续进行,直到达到所需的位数分辨率。
#### 2.2.2 Σ-Δ ADC
Σ-Δ ADC(又称过采样ADC)是一种高分辨率、低噪声的ADC架构。它使用过采样和数字滤波来提高分辨率。
**工作原理:**
1. ADC以远高于信号频率的速率对模拟信号进行过采样。
2. 过采样信号通过数字滤波器,滤除噪声和失真。
3. 滤波后的信号被下采样,以获得所需的采样率和分辨率。
**代码块:**
```c
#define ADC_RESOLUTION 12
// ADC初始化和配置
void adc_init(void) {
// 设置采样率为 1000 Hz
ADC->CR1 |= ADC_CR1_ADCSEL_0;
ADC->CR1 |= ADC_CR1_ADCSEL_1;
ADC->CR1 |= ADC_CR1_ADCSEL_2;
// 设置分辨率为 12 位
ADC->CR1 |= ADC_CR1_RES_0;
ADC->CR1 |= ADC_CR1_RES_1;
ADC->CR1 |= ADC_CR1_RES_2;
// 启用 ADC
ADC->CR2 |= ADC_CR2_ADON;
}
// ADC采样和数据处理
uint16_t adc_sample(void) {
// 启动 ADC 转换
ADC->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;
// 等待转换完成
while (!(ADC->SR & ADC_SR_EOC));
// 读取转换结果
return ADC->DR;
}
```
**逻辑分析:**
* `adc_init()`函数初始化ADC,设置采样率为 1000 Hz,分辨率为 12 位。
* `adc_sample()`函数启动ADC转换,等待转换完成,然后读取转换结果。
**参数说明:**
* `ADC_RESOLUTION`:ADC分辨率,以位数表示。
* `ADC->CR1`:ADC控制寄存器 1,用于设置采样率和分辨率。
* `ADC->CR2`:ADC控制寄存器 2,用于启动转换和启用ADC。
* `ADC->SR`:ADC状态寄存器,用于检查转换是否完成。
* `ADC->DR`:ADC数据寄存器,用于读取转换结果。
# 3. STM32 ADC硬件配置
### 3.1 ADC寄存器和配置
STM32 ADC的配置主要通过寄存器来实现。其中,两个关键寄存器是ADC_CR1和ADC_CR2。
#### 3.1.1 ADC_CR1寄存器
ADC_CR1寄存器控制ADC的基本配置,包括采样模式、时钟源、触发源等。
| 字段 | 描述 |
|---|---|
| ADCAL | ADC校准 |
| SCAN | 扫描模式 |
| CONT | 连续转换模式 |
| AWDCH | 模拟看门狗通道 |
| AWDIE | 模拟看门狗中断使能 |
| EOCIE | 转换完成中断使能 |
| AWDEN | 模拟看门狗使能 |
| DISCEN | 离散模式使能 |
|
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