一、什么是ADC

ADC（Analogto-Digital Converter）模擬數字轉換器，是將模擬信號轉換成數字信號的一種外設。比如某一個電阻兩端的是一個模擬信號，單片機無法直接采集，此時需要ADC先將短租兩端的電壓這個模擬信號轉化成數字信號，單片機才能夠進行處理。

二、ADC的用途

ADC具有將模擬信號轉換成數字信號的能力，比如將模擬的電壓轉換成數字信號，單片機進行處理。可以用作溫度監測或者電流監測等方面，用途極廣。

三、STM32F103ZET6的ADC

根據中文參考手冊介紹，STM32F103ZET6單片機有3個12位ADC，共有18個通道，可測量16個外部和2個內部信號源。各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行。ADC的結果可以左對齊或右對齊方式存儲在16位數據寄存器中。ADC的輸入時鐘不得超過14MHz，它是由PCLK2經分頻產生。

3.1 ADC通道對應引腳

STM32F103ZET6的ADC各通道對應IO如下

3.2ADC時鐘

ADC輸入時鐘ADC_CLK由APB2分頻產生，最大值是14MHz。庫函數提供了設置分頻因子的函數

void RCC_ADCCLKConfig(uint32_t RCC_PCLK2)

可選的分頻因子有

#define RCC_PCLK2_Div2                   ((uint32_t)0x00000000)
#define RCC_PCLK2_Div4                   ((uint32_t)0x00004000)
#define RCC_PCLK2_Div6                   ((uint32_t)0x00008000)
#define RCC_PCLK2_Div8                   ((uint32_t)0x0000C000)

APB2總線時鐘為72MHz，而ADC的最大工作頻率為14MHz，所以，分頻因子一般設置為6，這樣ADC的輸入時鐘頻率為12MHz。

3.3 ADC工作模式

根據中文參考手冊介紹，STM32F1的ADC有三種工作模式

• ? 單次轉換模式 單次轉換模式下，ADC只執行一次轉換。該模式既可通過設置ADC_CR2寄存器的ADON位(只適用于規則通道)啟動也可通過外部觸發啟動(適用于規則通道或注入通道)，這時CONT位為0。

• ? 連續轉換模式 在連續轉換模式中，當前面ADC轉換一結束馬上就啟動另一次轉換。此模式可通過外部觸發啟動或通過設置ADC_CR2寄存器上的ADON位啟動，此時CONT位是1。

• ? 掃描模式

  33.4 ADC轉換時間

  ADC的總轉換時間與時鐘頻率有關，總轉換時間 = 采樣時間 + 12.5個周期。其中，采樣時間最短為1.5個周期，也就是最短轉換時間為14個時鐘周期。使用軟件觸發時，可選擇的采樣時間如下

#define ADC_SampleTime_1Cycles5                    ((uint8_t)0x00)
#define ADC_SampleTime_7Cycles5                    ((uint8_t)0x01)
#define ADC_SampleTime_13Cycles5                   ((uint8_t)0x02)
#define ADC_SampleTime_28Cycles5                   ((uint8_t)0x03)
#define ADC_SampleTime_41Cycles5                   ((uint8_t)0x04)
#define ADC_SampleTime_55Cycles5                   ((uint8_t)0x05)
#define ADC_SampleTime_71Cycles5                   ((uint8_t)0x06)
#define ADC_SampleTime_239Cycles5                  ((uint8_t)0x07)

3.5 ADC校準

使能ADC后，需要對ADC進行校準。使用庫函數開發時，提供了ADC校準的函數

ADC_ResetCalibration(ADC1);//重置指定的ADC的校準寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));//獲取ADC重置校準寄存器的狀態
    
    ADC_StartCalibration(ADC1);//開始指定ADC的校準狀態
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//獲取指定ADC的校準程序

3.6 ADC轉換結果與實際電壓的換算

獲取到的AD轉換結果并不是實際電壓，如果想要得到實際電壓，需要經過換算。上面介紹了，STM32的ADC為12位，也就是AD值取值范圍為0~4095。采集電壓范圍為0到3.3V。AD值與實際電壓之間存在比例關系。

實際電壓 = (AD值 / 4095) * 3.3。單位為伏特（V）

四、ADC配置步驟

• ? 使能GPIO時鐘和ADC時鐘，設置引腳為模擬輸入

• ? 設置ADC的分頻因子

• ? 初始化ADC參數，包括ADC工作模式，規則序列等

• ? 使能ADC并校準

• ? 觸發AD轉換，讀取AD轉換值

  五、ADC配置程序

  55.1 ADC初始化程序

  這里以配置ADC1的通道1為例，給出ADC的配置例程，分頻因子設置為6，單次轉換模式，軟件觸發。

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：ADC1_Init
 *函數功能：初始化ADCx
 *輸入參數：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
void ADC1_Init(void)
{
    // 結構體定義
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    
    // 開啟時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
    
    // 設置ADC分頻因子6 72M/6=12,ADC最大時間不能超過14M
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
    
    // GPIO配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模擬輸入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    // ADC參數配置
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 獨立模式
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非掃描模式 
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 關閉連續轉換
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;   // 禁止觸發檢測，使用軟件觸發
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右對齊 
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1個轉換在規則序列中 也就是只轉換規則序列1 
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化
    
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 開啟AD轉換器
    
    // ADC校準
    ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校準寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 獲取ADC重置校準寄存器的狀態
    
    ADC_StartCalibration(ADC1);   // 開始指定ADC的校準狀態
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 獲取指定ADC的校準程序

    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的軟件轉換啟動功能
}

5.2 軟件觸發AD轉換

庫函數開發，配置為軟件觸發時，可以通過下面的函數觸發AD轉換

void ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC_TypeDef* ADCx, FunctionalState NewState)

5.3 讀取AD轉換結果

庫函數提供了用于讀取AD轉換結果的函數

uint16_t ADC_GetConversionValue(ADC_TypeDef* ADCx)

這里給出另一個函數，用于軟件觸發AD轉換并讀取轉換結果

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：Get_ADC_Value
 *函數功能：讀取某一規則通道AD值
 *輸入參數：ch：規則通道ADC_Channel_x；times：讀取次數
 *返回值：無
 *備  注：該函數配置好后，返回的結果是N次后的平均值
 *==============================================================================
 */
u16 Get_ADC_Value(u8 ch,u8 times)
{
    u32 temp_val = 0;
    u8 t;
    // 設置指定ADC的規則組通道，一個序列，采樣時間
    // ADC1,ADC通道,239.5個周期,提高采樣時間可以提高精確度
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ch, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);       
    
    for(t=0;t< times;t++)
    {
        ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能指定的ADC1的軟件轉換啟動功能 
        while(!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC ));   // 等待轉換結束
        temp_val+=ADC_GetConversionValue(ADC1);
        delay_ms(5);
    }
    return temp_val/times;
}

六、實戰項目

用ADC1的通道1采集某電阻兩端電壓（由于普中核心板沒有可供采集的電阻，可以直接將采集引腳接到3.3V查看一下結果），將結果通過串口打印到電腦。其中關于串口的配置就不再做介紹，給出ADC的配置和main函數。

6.1 ADC初始化

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：ADC1_Init
 *函數功能：初始化ADCx
 *輸入參數：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
void ADC1_Init(void)
{
    // 結構體定義
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    
    // 開啟時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
    
    // 設置ADC分頻因子6 72M/6=12,ADC最大時間不能超過14M
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
    
    // GPIO配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模擬輸入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    // ADC參數配置
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 獨立模式
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非掃描模式 
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 關閉連續轉換
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;   // 禁止觸發檢測，使用軟件觸發
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右對齊 
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1個轉換在規則序列中 也就是只轉換規則序列1 
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化
    
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 開啟AD轉換器
    
    // ADC校準
    ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校準寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 獲取ADC重置校準寄存器的狀態
    
    ADC_StartCalibration(ADC1);   // 開始指定ADC的校準狀態
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 獲取指定ADC的校準程序

    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的軟件轉換啟動功能
}

6.2 main函數

u16 gAdcAdValue = 0;   // 存儲AD值
float gAdcVol = 0;   // 實際電壓值

int main(void)
{
    Med_Mcu_Iint();   // 系統初始化
    
    while(1)
  {
        gAdcAdValue = Get_ADC_Value (ADC_Channel_1,10);   // 獲取轉換結果
        gAdcVol = (gAdcAdValue / 0xFFF) * 3.3;   // 計算實際電壓
        printf ("Vol=%.1f Vrn",gAdcVol);   // 串口打印結果
        
        delay_ms (500);   // 防止打印過快
    }
}

七、拓展

7.1 定時器觸發ADC采集

根據中文參考手冊介紹，ADC可以通過定時器觸發AD轉換（只有PWM的上升沿可以觸發AD轉換）。觸發方式有以下幾種

• ? TIM1_CH1 :定時器 1 的通道 1 的 PWM 觸發
• ? TIM1_CH2 : 定時器 2 的通道 2 的 PWM 觸發
• ? TIM1_CH3: 定時器 1 的通道 3 的 PWM 觸發
• ? TIM2_CH2 : 定時器 2 的通道 2 的 PWM 觸發
• ? TIM3_TRGO: 定時器 3 觸發
• ? TIM4_CH4 : 定時器 4 的通道 4 的 PWM 觸發

ADC外部觸發方式

這里以TIM4的通道4觸發ADC采集為例，給出程序配置。

首先是定時器PWM的配置，不對引腳進行重映射。

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：TIM4_CH4_PWM_Init
 *函數功能：初始化定時器4的PWM通道4
 *輸入參數：per：自動重裝載值；psc：預分頻系數
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
void TIM4_CH4_PWM_Init (u16 per,u16 psc)
{
    // 結構體定義
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 開啟時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);
    
    // 初始化GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 復用推挽輸出
    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
    
    // 初始化定時器參數
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;   // 自動裝載值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;   // 分頻系數
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   // 設置向上計數模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseInitStructure); 
    
    // 初始化PWM參數
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;   // 比較輸出模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;   // 輸出極性
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;   // 脈沖寬度
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   // 輸出使能
    TIM_OC4Init(TIM4,&TIM_OCInitStructure);   // 輸出比較通道2初始化
    
    TIM_OC4PreloadConfig(TIM4,TIM_OCPreload_Enable);   // 使能TIMx在 CCR2 上的預裝載寄存器
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM4,ENABLE);   // 使能預裝載寄存器
    
    TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);   // 使能定時器
}

ADC配置程序如下，觸發源選擇TIM4的CH4，使能外部觸發。

/*
 *==============================================================================
 *函數名稱：ADC1_Init
 *函數功能：初始化ADCx
 *輸入參數：無
 *返回值：無
 *備  注：無
 *==============================================================================
 */
void ADC1_Init(void)
{
    // 結構體定義
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;
    
    // 開啟時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
    
    // 設置ADC分頻因子6 72M/6=12,ADC最大時間不能超過14M
    RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);
    // 規則通道配置
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_239Cycles5);
    
    // GPIO配置
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_1;   //ADC1通道1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;   // 模擬輸入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
    // ADC參數配置
    ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;   // 獨立模式
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;   // 非掃描模式 
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;   // 關閉連續轉換
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T4_CC4;   // TIM2通道2觸發
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;   // 右對齊 
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;   // 1個轉換在規則序列中 也就是只轉換規則序列1 
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);   // ADC初始化
    
    // 使能外部觸發
    ADC_ExternalTrigConvCmd(ADC1, ENABLE);
    
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);   // 開啟AD轉換器
    
    // ADC校準
    ADC_ResetCalibration(ADC1);   // 重置指定的ADC的校準寄存器
    while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));   // 獲取ADC重置校準寄存器的狀態
    
    ADC_StartCalibration(ADC1);   // 開始指定ADC的校準狀態
    while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));   // 獲取指定ADC的校準程序

    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);   // 使能或者失能指定的ADC的軟件轉換啟動功能
}

main函數如下

u16 gAdcAdValue = 0;   // 存儲AD值
float gAdcVol = 0;   // 實際電壓值

int main(void)
{
    Med_Mcu_Iint();   // 系統初始化
    
    while(1)
  {
        gAdcAdValue = ADC_GetConversionValue (ADC1);   // 獲取轉換結果
        gAdcVol = (gAdcAdValue / 0xFFF) * 3.3;   // 計算實際電壓
        printf ("Vol=%.1f Vrn",gAdcVol);   // 串口打印結果
        
        delay_ms (500);   // 防止打印過快
    }
}

初始化定PWM時，程序為

TIM4_CH4_PWM_Init(1000,71);   // 初始化TIM4的通道4

分頻系數為71 + 1，自動重裝載值為1000，也就是1KHz的方波，也就是觸發AD轉換的頻率為1KHz，與占空比無關。

7.2 ADC采集交流信號

ADC能夠采集的電壓范圍是0~3.3V，也就是說負電壓無法采集。比如，需要采集下圖中的一個交流信號

交流信號圖

其位于0以下的部分是無法采集的。因此，在利用STM32采集交流信號時，在交流信號輸入ADC引腳前，給交流信號增加一個直流偏置，將交流信號的最低點抬升到0以上，之后再輸入ADC引腳。

7.3 計算交流信號有效值

ADC可以用于電流監測，實時監測主線路中的電流。當然，硬件方面需要搭配電流互感線圈，通過采集互感線圈兩端的電壓，來監測主線路電流。由于一般都是交流信號，所以需要計算有效值。

根據我們所學的知識，計算交流信號有效值常用兩種方法。一種是峰峰值除以根號2，另一種是計算均方根得到有效值。通常我們采用計算均方根的方法來計算有效值。因為如果用峰峰值除以根號2去計算有效值，峰峰值很容易不準確。

如果在某一個時刻，由于環境干擾或者硬件問題，導致突然出現了一個很大的值，會導致計算結果與實際偏差較大。關于為什么計算均方根可以得到交流信號的有效值，這里就不做介紹了，只給出部分程序設計。由于博主目前身邊沒有合適的設備驗證，因此僅供參考。

假設需要計算一個50Hz交流信號的的有效值，在其輸入到ADC采集引腳之前，增加一個穩定的1.65V的偏置。ADC的采樣頻率為1KHz，也就是一個正弦波的周期可以采集20個點。假設采集到的AD值存儲到一個數組中，計算有效值的程序設計如下

int gAdcAdValue[20];   // 存儲采樣結果AD值的數組
int gAdcValidValue = 0;   // 有效值

void Med_Adc_ValidValueCal (void)
{
    int tempVar = 0;   // 循環變量
    int squarSum = 0;   // 平方和
    
    // 求平方和
    for (tempVar = 0;tempVar < 20;tempVar ++)
    {
        // 減去直流偏置
        gAdcAdValue[tempVar] = gAdcAdValue[tempVar] - 2048;
        // 計算平方和
        squarSum = squarSum + gAdcAdValue[tempVar] * gAdcAdValue[tempVar];
    }
    
    // 求平均
    squarSum = squarSum / 20;
    
    // 開根號得到均方根（有效值）
    gAdcValidValue = sqrt (squarSum);
}

在進行程序設計時需要注意不要超出數據類型范圍。在實際應用時肯定會存在誤差，這里也簡單介紹一下誤差消除方法。目前用到的有兩種方法，第一種是分段矯正，在不同的區間內，誤差滿足線性關系時可以使用。另一種是按比例矯正，這種方法常用于誤差隨著測量值的增大而增大的情況。在計算出有效值后，減去或者加上一定比例的計算值來做矯正。