STM32F407 ADC_DAC转换实践


参考资源链接：[STM32F407中文手册：ARM内核微控制器详细指南](https://wenku.csdn.net/doc/6412b69dbe7fbd1778d475ae?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F407 ADCDAC转换概述

## 1.1 引言
本章旨在为读者提供STM32F407微控制器中ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）的基本概念和应用场景。STM32F407是ST公司出品的一款高性能ARM Cortex-M4微控制器，广泛应用在需要信号采集和处理的场合，如工业自动化、医疗设备和消费电子产品。

## 1.2 ADC与DAC转换简介
STM32F407的ADC模块能将外部模拟信号转换成微控制器能够处理的数字信号，而DAC模块则执行相反的操作，将数字信号转换为模拟信号。这两个转换器对于连接传感器、执行实时控制和信号生成等任务至关重要。

## 1.3 应用场景和重要性
无论是在快速发展的物联网(IoT)设备中作为数据采集单元，还是在需要模拟输出的音频设备中生成信号，STM32F407的ADCDAC转换能力都提供了极大的灵活性和强大的功能，使得开发者能够以高效的方式实现复杂的控制和处理任务。

此章节为读者提供了一个整体的概览，为接下来深入探讨STM32F407的ADCDAC转换功能打下了坚实的基础。后续章节将进一步深入分析这些转换器的理论基础、硬件架构、软件编程以及应用实例。

# 2. STM32F407 ADC转换深入解析

### 2.1 ADC转换基础理论

#### 2.1.1 模拟到数字转换的原理
模拟到数字转换(ADC)是一个将模拟信号转换为数字信号的过程，这一过程是现代电子系统中不可或缺的一部分，尤其是在数据采集和处理系统中。模拟信号是连续的信号，而数字信号是由0和1组成的离散信号。ADC过程通过采样、量化和编码三个步骤完成信号的转换。

首先，采样步骤涉及在时间上对模拟信号进行定期采样，生成一个离散时间信号。其次，量化过程将每个采样值映射到有限数量的离散值中，这通常是通过一个数字来表示采样点的近似值。最后，编码步骤涉及将这些量化值转换成数字代码，通常是二进制形式。

#### 2.1.2 STM32F407 ADC的工作模式和特点
STM32F407的ADC模块具有12位分辨率，这意味着它可以产生2^12，即4096个不同的量化级别。它支持多达24个通道，可以配置为单端输入或差分输入。此外，STM32F407的ADC模块具有多个转换模式，包括单次转换、连续转换、扫描模式、间断模式等。

它的特点包括高速转换能力（高达2.4百万样本每秒（Msps））、多种触发源（包括软件、定时器和外部触发源）、DMA支持、以及内置温度传感器和VREFINT参考电压通道。这种多功能性使得STM32F407成为多种应用的理想选择，从传感器数据采集到音频处理等。

### 2.2 ADC转换的硬件实现

#### 2.2.1 STM32F407 ADC的硬件架构
STM32F407的ADC硬件架构主要由几个关键组件构成，包括：

1. ADC核心，负责执行实际的转换过程。
2. 通道选择和多路复用器，允许从多个输入中选择一个信号进行转换。
3. 采样和保持电路（S&H），确保在转换过程期间信号的稳定性。
4. 参考电压源，ADC模块的转换精度依赖于一个稳定的参考电压。
5. 触发控制器，用于启动转换过程，触发源可以是软件触发或外部触发。
6. DMA（直接内存访问）接口，用于在不需要CPU干预的情况下传送转换数据。

#### 2.2.2 ADC通道和采样率配置
STM32F407的ADC模块支持多达24个模拟输入通道，这些通道可以独立地配置为单端模式或差分模式。通道的选择由多路复用器决定，它将选定的输入连接到ADC核心。

采样率的配置取决于多个因素，包括ADC分辨率、转换时间以及所选择的通道数。为了达到最高的采样率，STM32F407的ADC模块能够以“快速模式”运行，这牺牲了一定的分辨率以获得更高的采样频率。

在配置时，开发者可以利用ADC的预分频器来调整ADC时钟的频率。预分频器的值越大，采样率就越低。预分频器的设置需要在软件中进行调整，同时还要考虑到最小采样时间的要求，以确保ADC可以准确地进行量化。

### 2.3 ADC转换的软件编程

#### 2.3.1 ADC初始化和启动流程
在进行软件编程之前，首先需要进行初始化流程，以确保ADC模块能够正常工作。初始化步骤通常包括设置ADC分辨率、采样时间和通道配置。

void ADC_Configuration(void)
{
  ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
  ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;

  // 将所有ADC通道的配置初始化为默认状态
  ADC_DeInit(ADC1);
  // 设置ADC1的预分频值、分频因子、分辨率、扫描模式、对齐方式等
  ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
  ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
  ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
  ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;
  ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
  ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
  ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
  // 设置ADC1的采样时间
  ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_144Cycles);
  // 初始化ADC1的公共设置，如时钟
  ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;
  ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div2;
  ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;
  ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles;
  ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);
  // 使能ADC1
  ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
  // 初始化ADC1的校准寄存器
  ADC_ResetCalibration(ADC1);
  // 等待校准寄存器重置完成
  while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));

  // 开始ADC1的校准过程
  ADC_StartCalibration(ADC1);
  // 等待校准过程完成
  while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));

  // 开始ADC1的转换
  ADC_SoftwareStartConv(ADC1);
}

在上面的代码示例中，我们首先对ADC模块进行了全面的初始化，设置了ADC的工作模式、扫描转换模式、连续转换模式等。然后，我们对ADC的采样时间进行了配置，并对ADC公共设置进行了初始化。最后，我们启动了ADC模块，并执行了校准过程，以确保ADC的转换精度。

#### 2.3.2 中断和DMA在ADC转换中的应用
在许多应用中，当ADC转换完成时，开发者可能希望CPU可以立即响应，进行后续的数据处理。为此，STM32F407支持中断和直接内存访问(DMA)功能。

中断是一种在转换完成时触发处理器中断当前任务，执行特定代码块的方式。而DMA允许ADC将转换结果直接存储到内存中，而无需CPU的介入。这可以大大减少处理器的负担，特别是在高速采样应用中。

void ADC_IT_Configuration(void)
{
  ADC_ITConfig(ADC1, ADC_IT_EOC, ENABLE);
  NVIC_EnableIRQ(ADC1_IRQn);
}

void ADC1_IRQHandler(void)
{
  if(ADC_GetITStatus(ADC1, ADC_IT_EOC) != RESET)
  {
    // 读取ADC转换结果
    uint16_t adcValue = ADC_GetConversionValue(ADC1);
    // 可以在这里进行数据处理
    // ...
    // 清除中断标志位
    ADC_ClearITPendingBit(ADC1, ADC_IT_EOC);
  }
}

上面的代码展示了如何配置ADC中断。首先，我们通过`ADC_ITConfig`函数启用ADC的转换完成中断。然后，在中断服务例程`ADC1_IRQHandler`中，我们检查中断标志位并处理数据。

void ADC_DMA_Configuration(void)