STM32单片机ADC采样技术：揭秘模拟信号数字化

# 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：**

#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 |
|