STM32G474数据手册分析：模拟外设和转换器，深入解析不求人


# 摘要
STM32G474作为一款具有先进性能的微控制器，广泛应用于需要高效模拟外设的嵌入式系统。本文首先概述了STM32G474的基础架构，随后详细探讨了其模拟外设的内部结构和工作原理，特别强调了模拟-数字转换器(ADC)和数字-模拟转换器(DAC)的功能、特性及配置。文章接着介绍了转换器在实际应用中的高级特性和编程技巧，以及模拟外设的优化配置和性能提升方法。通过案例研究和动手实践，本文展示了STM32G474的模拟外设在实际项目中的应用，以及在创意开发中的应用实践。本论文旨在为工程师提供深入理解STM32G474模拟外设的参考资料，并帮助他们优化系统性能，解决实际问题。

# 关键字
STM32G474；模拟外设；ADC；DAC；性能优化；编程技巧

参考资源链接：[STM32G474官方数据手册：高性能Cortex-M43处理器与先进特性概览](https://wenku.csdn.net/doc/4gafrkwjwm?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32G474概述与基础架构

## 1.1 STM32G474的定位与应用范围
STM32G474是STMicroelectronics（意法半导体）公司推出的一款高性能微控制器，作为其STM32G4系列的一员，它专为需要快速处理、高频操作以及集成先进模拟外设的嵌入式应用而设计。它适合用于各类工业控制、医疗仪器、高速通信、以及需要高效能运算和信号处理的场合。

## 1.2 核心特性与性能指标
STM32G474核心特性包括ARM Cortex-M4处理器，内置高达128 KB的闪存、32 KB的SRAM，以及丰富的外设接口，例如USB接口、I2C、SPI、USART等。具备高达170 MHz的运行频率和单周期浮点运算能力。这些特点使得STM32G474非常适合执行复杂算法和实时任务。

## 1.3 基础架构与模块设计
基础架构上，STM32G474采用先进的90nm工艺制造，内建硬件浮点单元（FPU），确保数学运算的精确性和速度。模块设计上，它集成了多个高性能模拟外设，比如高性能ADC，支持双采样保持功能，以及高速DAC，提供多样的波形生成选项。这些特点共同为快速、精确的数据采集和输出提供了强大的硬件支持。

# 2. 模拟外设的内部结构与工作原理

## 2.1 STM32G474的模拟外设概览

### 2.1.1 模拟外设的种类与功能

STM32G474系列微控制器包含了多种模拟外设，这些外设使得微控制器能够与现实世界的模拟信号进行交互。常见的模拟外设包括模拟-数字转换器（ADC）、数字-模拟转换器（DAC）、温度传感器、内部参考电压、比较器、以及具有采样和保持功能的电路。这些外设的功能各不相同，但共同构成了微控制器处理模拟信号的基础。

- **ADC**：负责将模拟信号转换为数字信号，从而被微控制器中的数字电路处理。
- **DAC**：将微控制器生成的数字信号转换为模拟信号，用于控制外设如扬声器或模拟显示器。
- **温度传感器**：提供温度读数，用于环境监控或设备热管理。
- **内部参考电压**：提供一个稳定的电压基准，用于ADC和DAC的精确度校准。
- **比较器**：比较两个模拟信号的电压，并输出一个数字信号，用于实时的信号监测和处理。
- **采样和保持电路**：在多通道模拟信号处理中保证各通道采样时的一致性。

### 2.1.2 模拟外设在STM32G474中的地位与作用

在微控制器设计中，模拟外设扮演着至关重要的角色。它们将真实世界的模拟信息转换为微控制器可以处理的数字信号，反之亦然。在STM32G474中，高质量的模拟外设为微控制器提供了更宽泛的应用场景，比如工业控制、自动化、测量设备、医疗设备等领域。

由于模拟外设的性能直接影响整个系统对真实世界信号处理的准确性和效率，因此，它们在微控制器中处于核心位置。它们不仅需要高度的精确度和可靠性，还要求在不同工作条件下都能稳定运行。特别是随着物联网(IoT)技术的发展，这些外设在边缘计算设备中显得尤为重要，它们需要直接从环境中采集数据，为决策提供实时的精确反馈。

## 2.2 模拟-数字转换器(ADC)

### 2.2.1 ADC的基本概念和工作模式

模拟-数字转换器(ADC)是将模拟信号转换为数字信号的电子设备。在STM32G474中，ADC是实现数字系统和模拟世界交互的重要接口。ADC的核心功能是采样和量化，采样将时间上连续的模拟信号转换为离散的信号样本，而量化则将这些样本转换为有限位数的数字值。

ADC的工作模式主要有单次转换模式和连续转换模式。在单次转换模式下，ADC执行一次采样并将结果存储在数据寄存器中，等待下一次启动信号；在连续转换模式下，ADC连续不断地进行采样和转换，直到被外部指令停止。

### 2.2.2 STM32G474的ADC特性与配置

STM32G474的ADC模块提供了丰富的特性，包括：
- 高达16位的分辨率，保证了转换精度；
- 多个输入通道，支持不同的信号源；
- 可编程的采样时间，以优化转换速度与精度的平衡；
- 硬件触发和外部触发源，允许更灵活的控制；
- DMA支持，提高转换效率，减少CPU负载。

配置STM32G474的ADC通常涉及以下步骤：
1. 选择适当的时钟源和分频值来满足所需的采样率；
2. 根据需要选择合适的分辨率和数据对齐方式；
3. 配置通道扫描模式，如果需要同时处理多个通道；
4. 设置触发源，如软件触发、硬件触发或外部触发；
5. 配置DMA（如果使用）以自动化数据传输到内存；
6. 启动ADC并根据应用需求读取转换结果。

以下是STM32G474 ADC的一个简单配置示例代码，以及其逻辑说明：

void ADC_Configuration(void)
{
    ADC_InitTypeDef       ADC_InitStructure;
    ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;
    // 1. 启用ADC时钟和GPIO时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    // 2. 配置ADC1的通道作为模拟输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    // 3. 初始化ADC公共参数
    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);
    // 4. 初始化ADC1
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);
    // 5. 配置ADC1的通道0作为转换序列的第一个通道及采样时间
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_1Cycles5);
    // 6. 使能ADC1
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
    // 7. 初始化ADC校准寄存器
    ADC_ResetCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));
    // 8. 开始ADC校准
    ADC_StartCalibration(ADC1);
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
}

### 2.3 数字-模拟转换器(DAC)

#### 2.3.1 DAC的工作原理和应用场景

数字-模拟转换器(DAC)的功能与ADC相反，它将数字信号转换为模拟信号。DAC广泛应用于需要模拟输出的场景，例如声音合成、波形生成、信号控制等。

DAC的工作原理是基于数模转换的原理，其核心是一个电流或电压源和一个精确的电阻网络，输出电压或电流与输入的数字值成比例。常见的DAC有R-2R梯形网络和电流舵（current steering）两种类型，各自适用于不同的应用和精度需求。

DAC的应用场景包括：
- 在音频设备中产生声音波