在嵌入式系統(tǒng)中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)是連接物理世界與數(shù)字處理的核心橋梁。STM32系列微控制器內(nèi)置的ADC采用逐次逼近型(SAR)架構(gòu)，通過精密的硬件電路實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。本文將從工作原理、硬件架構(gòu)、關(guān)鍵參數(shù)配置及應(yīng)用實踐四個維度，系統(tǒng)解析STM32 ADC的內(nèi)部機制。

一、工作原理：逐次逼近的二分法邏輯

1.1 核心轉(zhuǎn)換流程

STM32 ADC基于逐次逼近寄存器(SAR)實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，其本質(zhì)是通過二分法在模擬輸入電壓與參考電壓之間進(jìn)行迭代比較。以12位ADC為例，轉(zhuǎn)換過程需12個時鐘周期完成，每個周期確定一位二進(jìn)制值。具體步驟如下：

采樣保持：通過內(nèi)部電容對輸入電壓進(jìn)行采樣并保持，確保轉(zhuǎn)換期間電壓穩(wěn)定。

逐次比較：從最高位(MSB)開始，將輸入電壓與參考電壓的1/2進(jìn)行比較。若輸入電壓更高，則保留MSB為1，下次比較1/4參考電壓;若更低，則MSB為0，下次比較3/4參考電壓。

量化編碼：重復(fù)上述步驟，直至最低位(LSB)確定，最終得到12位二進(jìn)制編碼。

示例：假設(shè)輸入電壓為2.5V，參考電壓為3.3V。首次比較2.5V與1.65V(3.3V/2)，因2.5V>1.65V，MSB=1;第二次比較2.5V與0.825V(3.3V/4)，因2.5V>0.825V，次高位=1;依此類推，最終得到二進(jìn)制值110011001100(對應(yīng)十進(jìn)制2047)。

1.2 關(guān)鍵組件解析

比較器陣列：由多個電壓比較器組成，用于執(zhí)行逐次比較。

逐次逼近寄存器(SAR)：存儲當(dāng)前比較結(jié)果，控制開關(guān)狀態(tài)。

開關(guān)矩陣：根據(jù)SAR值切換參考電壓分壓比。

電容網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)采樣保持與參考電壓生成。

二、硬件架構(gòu)：多通道與雙模式設(shè)計

2.1 通道組織與信號流

STM32 ADC支持多通道采集，以STM32F103為例，其ADC1模塊包含18個輸入通道(16個外部+2個內(nèi)部)。通道通過模擬多路復(fù)用器(MUX)連接至采樣保持電路，信號流如下：

外部通道：PA0-PA7、PB0-PB1、PC0-PC5等引腳接入模擬信號。

內(nèi)部通道：溫度傳感器(ADC1_IN16)和內(nèi)部參考電壓(ADC1_IN17)。

轉(zhuǎn)換單元：規(guī)則組(最多16通道)和注入組(最多4通道)獨立工作。

2.2 雙模式轉(zhuǎn)換機制

規(guī)則組：處理常規(guī)轉(zhuǎn)換，支持掃描模式(連續(xù)采集多通道)和單次模式(單通道采集)。

注入組：處理緊急中斷轉(zhuǎn)換，具有獨立數(shù)據(jù)寄存器，可中斷規(guī)則組轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)流示例：

規(guī)則組掃描模式：ADC_SQR1配置通道序列(如PA0→PA1→PA2)，每個通道轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存入ADC_DR，通過DMA傳輸至內(nèi)存。

注入組中斷模式：當(dāng)外部中斷觸發(fā)時，ADC立即暫停規(guī)則組，執(zhí)行注入通道轉(zhuǎn)換，結(jié)果存入ADC_JDRx。

三、關(guān)鍵參數(shù)配置：精度與速度的權(quán)衡

3.1 分辨率與量化等級

STM32 ADC的分辨率由位數(shù)決定，常見為12位(部分型號支持16位)。12位ADC可將0-3.3V輸入電壓量化為4096個等級(0-4095)，最小量化單位為3.3V/4095≈0.806mV。配置時需注意：

數(shù)據(jù)對齊：支持右對齊(默認(rèn))和左對齊，影響數(shù)值計算精度。

參考電壓：通過VREF+引腳接入外部參考電壓(如2.5V)，提升測量精度。

3.2 采樣時間與轉(zhuǎn)換速率

采樣時間：通過ADC_SMPR1/2寄存器配置，單位為ADC時鐘周期。較長的采樣時間可提高信噪比，但會降低轉(zhuǎn)換速率。

轉(zhuǎn)換速率：STM32F103的ADC時鐘可達(dá)14MHz，單次轉(zhuǎn)換時間約1μs(采樣時間+12.5個ADC周期)。

3.3 校準(zhǔn)與誤差補償

內(nèi)置校準(zhǔn)：通過ADC_CR2的CAL位啟動校準(zhǔn)，消除內(nèi)部電容寄生效應(yīng)。

溫度補償：利用內(nèi)部溫度傳感器通道(ADC1_IN16)監(jiān)測芯片溫度，動態(tài)調(diào)整參考電壓。

四、應(yīng)用實踐：從單通道采集到多通道掃描

4.1 單通道采集實現(xiàn)

以溫度監(jiān)測為例，配置ADC1_IN16(內(nèi)部溫度傳感器)進(jìn)行單次采集：

初始化：

使能ADC時鐘(RCC_APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN)。

配置GPIO為模擬輸入模式(GPIOA->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE0|GPIO_CRL_CNF0))。

啟動轉(zhuǎn)換：

寫ADC_CR2的SWSTART位啟動轉(zhuǎn)換。

等待ADC_SR的EOC位(轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志)為1。

讀取數(shù)據(jù)：

從ADC_DR寄存器讀取12位數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為溫度值(公式：溫度=(數(shù)據(jù)/4095)×3.3V×100℃/V)。

4.2 多通道掃描實現(xiàn)

在工業(yè)控制中，需同時采集電機電流、電壓等多參數(shù)。配置ADC1的規(guī)則組掃描模式：

配置通道序列：

使用ADC_SQR1-3寄存器設(shè)置通道順序(如PA0→PA1→PA2)。

啟動DMA傳輸：

配置DMA1_Channel1的CPAR(外設(shè)地址)為ADC1->DR，CMAR(內(nèi)存地址)為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

啟動ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換(ADC_CR2 |= ADC_CR2_CONT)。

數(shù)據(jù)處理：

DMA傳輸完成后，從緩沖區(qū)讀取多通道數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波或PID控制。

4.3 中斷與實時響應(yīng)

對于緊急事件(如過壓保護(hù))，配置注入組中斷：

使能中斷：

設(shè)置ADC_CR1的EOCIE位(轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷使能)。

中斷服務(wù)程序(ISR)：

在STM32CubeMX生成的中斷函數(shù)中，讀取ADC_JDRx數(shù)據(jù)，執(zhí)行保護(hù)邏輯(如切斷電源)。

五、發(fā)展趨勢：高精度與低功耗的演進(jìn)

5.1 技術(shù)革新方向

更高分辨率：STM32H7系列支持16位ADC，量化等級提升至65536級。

更低功耗：采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，工作電流從10mA降至2mA。

集成化設(shè)計：ADC與DAC、比較器集成于單芯片，減少外部元件。

5.2 典型應(yīng)用場景

工業(yè)自動化：多通道ADC采集電機電流、電壓，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

醫(yī)療設(shè)備：高精度ADC監(jiān)測心電圖(ECG)信號，分辨率達(dá)0.1mV。

汽車電子：ADC采集電池電壓、溫度，支持BMS(電池管理系統(tǒng))運行。

STM32 ADC通過逐次逼近型架構(gòu)實現(xiàn)了模擬信號的高效數(shù)字化，其多通道、雙模式設(shè)計滿足了工業(yè)控制、醫(yī)療監(jiān)測等場景的多樣化需求。未來，隨著高分辨率、低功耗技術(shù)的成熟，STM32 ADC將在物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等領(lǐng)域發(fā)揮更大價值。理解其內(nèi)部原理，不僅有助于優(yōu)化硬件設(shè)計，更能為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)提供理論支撐。