AD轉(zhuǎn)換器的接口與編程應(yīng)用

A/D轉(zhuǎn)換器的接口與編程應(yīng)用8.1ADC的主要特征與架構(gòu) 8.2ADC的通道選擇與工作模式8.3ADC的校準與數(shù)據(jù)對齊8.4ADC的寄存器與中斷8.5ADC應(yīng)用編程實例8.1ADC的主要特征與架構(gòu)

1．ADC的主要特征

STM32F10x處理器ADC的主要特征如下：

(1)?ADC供電電源為2.4～3.6?V；

(2)?ADC模擬輸入范圍為0～3.6?V；

(3)轉(zhuǎn)換分辨率為12位；

(4)內(nèi)嵌數(shù)據(jù)對齊方式；

(5)通道采樣間隔時間可編程；

(6)每次ADC開始轉(zhuǎn)換前進行一次自校準；

(7)可設(shè)置為單次、連續(xù)、掃描和間斷模式；

(8)帶ADC1和ADC2兩個ADC轉(zhuǎn)換器，有8種轉(zhuǎn)換方式；

(9)轉(zhuǎn)換結(jié)束發(fā)生模擬看門狗事件時產(chǎn)生中斷；

(10)規(guī)則通道轉(zhuǎn)換期間有DMA請求產(chǎn)生；

(11)?ADC轉(zhuǎn)換時間。對于不同的STM32處理器，ADC轉(zhuǎn)換時間為1?μs左右。

2．ADC的架構(gòu)

STM32處理器的ADC內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由模擬輸入通道、A/D轉(zhuǎn)換器、模擬看門狗、ADC時鐘、通道采樣時間編程、外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換、DMA請求、溫度傳感器、ADC的上電控制和中斷等電路組成。電路結(jié)構(gòu)如圖8.1所示。圖8.1STM32處理器ADC結(jié)構(gòu)

需要說明的是，在外部電路連接中，VDDA和VSSA應(yīng)該分別連接到VDD和VSS。

1)模擬輸入通道

模擬信號通道共有18個，可測16個外部信號源和2個內(nèi)部信號源。其中，16個外部通道對應(yīng)ADC_IN0到

ADC_IN15，2個內(nèi)部通道為溫度傳感器和內(nèi)部參考電壓。

ADC的相關(guān)引腳見表8.1所示。

2)A/D轉(zhuǎn)換器

ADC為逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，分為注入通道和規(guī)則通道。每個通道都有相應(yīng)的觸發(fā)電路，注入通道的觸發(fā)電路為注入組，規(guī)則通道的觸發(fā)電路為規(guī)則組；每個通道也有相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，分別稱為規(guī)則通道數(shù)據(jù)寄存器和注入通道數(shù)據(jù)寄存器。由時鐘控制器提供的ADCCLK時鐘和PCLK2(APB2時鐘)同步。

3)模擬看門狗部分

模擬看門狗部分用于監(jiān)控高低電壓閾值，可作用于一個、多個或全部轉(zhuǎn)換通道，當檢測到的電壓低于或高于設(shè)定電壓閾值時，可以產(chǎn)生中斷。

4)?ADC時鐘

A/D轉(zhuǎn)換器的時鐘(ADCCLK)由系統(tǒng)時鐘控制器控制，與高級外設(shè)總線APB2同步。時鐘控制器為ADC時鐘提供了一個專用的可編程預(yù)分頻器，默認的分頻值為2。

5)通道采樣時間編程

ADC使用若干個ADC_CLK周期對輸入電壓采樣，采樣周期數(shù)目可以通過ADC_SMPR1和ADC_SMPR2寄存器中的SMP[2：0]位更改。每個通道可以以不同的時間采樣。

總轉(zhuǎn)換時間可按如下公式計算：

TCONV?=?采樣時間?+?12.5個周期

例如，ADCCLK=14?MHz，采樣時間為1.5個周期，則

TCONV?=?1.5?+?12.5?=?14個周期?=?1?μs

6)外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換可以由外部事件觸發(fā)(如定時器捕獲、EXTI線)。表8.2、表8.3描述了不同通道外部觸發(fā)的EXTSEL位設(shè)定值。如果設(shè)置了EXTTRIG控制位，則外部事件就能夠觸發(fā)轉(zhuǎn)換。EXTSEL[2:0]控制位允許應(yīng)用程序選擇8個可能的事件中的某一個可以觸發(fā)規(guī)則和注入組的采樣。

7)?DMA請求

因為規(guī)則通道轉(zhuǎn)換的值儲存在一個唯一的數(shù)據(jù)寄存器中，所以當轉(zhuǎn)換多個規(guī)則通道時，需要使用DMA，這樣可以避免丟失已經(jīng)存儲在ADC_DR寄存器中的數(shù)據(jù)。

只有在規(guī)則通道轉(zhuǎn)換結(jié)束時，才產(chǎn)生DMA請求，并將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)從ADC_DR寄存器傳輸?shù)接脩糁付ǖ哪康牡刂贰?/p>

8)溫度傳感器

溫度傳感器可以用來測量器件內(nèi)部的溫度。溫度傳感器在內(nèi)部和ADCx_IN16輸入通道相連接，此通道將傳感器輸出的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。溫度傳感器模擬輸入采樣時間是

17.1?μs。

溫度傳感器的測量范圍是?-40～125℃，測量精度為?±1.5℃。

讀取溫度的步驟是：選擇ADCx_IN16輸入通道，選擇采樣時間大于2.2μs，設(shè)置ADC控制寄存器2(ADC_CR2)的TSVREFE位，以喚醒關(guān)電模式下的溫度傳感器。

9)?ADC的上電控制

通過設(shè)置ADC_CR1寄存器的ADON位可使ADC上電。當?shù)谝淮卧O(shè)置ADON位時，它將ADC從斷電狀態(tài)下喚醒。通過調(diào)用庫函數(shù)ADC_Cmd(ADCl，ENABLE)可以實現(xiàn)將ADON位置位。ADC上電延遲一段時間后，再次設(shè)置ADON位時開始進行轉(zhuǎn)換。

通過清除ADON位可以停止轉(zhuǎn)換，并將ADC置于斷電模式。在這個模式中，ADC幾乎不耗電(僅幾個μA)。

10)中斷電路

ADC的中斷電路有3種情況可以產(chǎn)生中斷，即轉(zhuǎn)換結(jié)束、注入轉(zhuǎn)換結(jié)束和模擬看門狗事件。

8.2ADC的通道選擇與工作模式

1．ADC的通道選擇

STM32處理器的每個ADC模塊有16個模擬通道，可分成兩組轉(zhuǎn)換，即規(guī)則通道和注入通道。在任意多個通道上以任意順序進行的一系列轉(zhuǎn)換構(gòu)成成組轉(zhuǎn)換。例如，可以順序完成通道3、通道8、通道2、通道2、通道0、通道2、通道2、通道15的順序轉(zhuǎn)換。

規(guī)則組由多達16個轉(zhuǎn)換組成。規(guī)則通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在ADC_SQRx寄存器中選擇。規(guī)則組中轉(zhuǎn)換的總數(shù)應(yīng)寫入ADC_SQR1寄存器的L[3：0]位中。

注入組由多達4個轉(zhuǎn)換組成。注入通道和它們的轉(zhuǎn)換順序在ADC_JSQR寄存器中選擇。注入組中的轉(zhuǎn)換總數(shù)目必須寫入ADC_JSQR寄存器的L[1：0]位中。

如果ADC_SQRx或ADC_JSQR寄存器在轉(zhuǎn)換期間被更改，當前的轉(zhuǎn)換被清除，一個新的轉(zhuǎn)換將會啟動。

溫度傳感器和ADCx_IN16通道相連接，內(nèi)部參照電壓VREFINT和ADCx_IN17通道相連接。ADC可以按注入或規(guī)則通道對這兩個內(nèi)部通道進行轉(zhuǎn)換。

2．ADC工作模式

STM32的每個ADC模塊可以通過內(nèi)部的模擬多路開關(guān)切換到不同的輸入通道并進行轉(zhuǎn)換。

按照工作模式劃分，ADC主要有4種轉(zhuǎn)換模式，即單次轉(zhuǎn)換模式、連續(xù)轉(zhuǎn)換模式、掃描模式和間斷模式。

1)單次轉(zhuǎn)換

單次轉(zhuǎn)換模式下，ADC只執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換。該模式既可通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的ADON位(只適用于規(guī)則通道)啟動，也可通過外部觸發(fā)啟動(適用于規(guī)則通道或注入通道)，這時CONT位為0。

2)連續(xù)轉(zhuǎn)換

在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式中，前面ADC轉(zhuǎn)換一結(jié)束馬上就啟動另一次轉(zhuǎn)換。此模式可通過外部觸發(fā)啟動或通過設(shè)置ADC_CR2寄存器上的ADON位啟動。

對于以上兩種轉(zhuǎn)換方式，一旦被選通道轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果就被儲存在16位的ADC_DR寄存器中，EOC(轉(zhuǎn)換結(jié)束)標志被設(shè)置，如果設(shè)置了EOCIE位，則產(chǎn)生中斷。

ADC轉(zhuǎn)換時序如圖8.2所示。ADC在開始精確轉(zhuǎn)換前需要一個穩(wěn)定時間tSTAB。在開始ADC轉(zhuǎn)換和14個時鐘周期后，EOC標志被設(shè)置，A/D結(jié)果存于16位ADC數(shù)據(jù)寄存器。

圖8.2ADC轉(zhuǎn)換時序

3)掃描模式

掃描模式用來掃描一組模擬通道，可通過設(shè)置ADC_CR1寄存器的SCAN位來選擇。一旦這個位被設(shè)置，ADC掃描就可啟動。在每個組的每個通道上執(zhí)行單次轉(zhuǎn)換。在每個轉(zhuǎn)換結(jié)束時，同一組的下一個通道被自動轉(zhuǎn)換。如果設(shè)置了CONT位，轉(zhuǎn)換不會在選擇組的最后一個通道上停止，而是再次從選擇組的第一個通道繼續(xù)轉(zhuǎn)換。如果設(shè)置了DMA位，在每次EOC后，DMA控制器會將規(guī)則組通道的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊RAM中，而注入通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)總是存儲在ADC_JDRx寄存器中。

4)間斷模式管理

(1)觸發(fā)注入。清除ADC_CR1寄存器的JAUTO位，并且設(shè)置SCAN位，即可使用觸發(fā)注入功能。利用外部觸發(fā)或通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的ADON位，啟動一組規(guī)則通道的轉(zhuǎn)換。如果在規(guī)則通道轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生一外部注入觸發(fā)，當前轉(zhuǎn)換被復(fù)位，則注入通道序列以單次掃描方式被轉(zhuǎn)換。

(2)自動注入。如果設(shè)置了JAUTO位，在規(guī)則組通道之后，注入組通道被自動轉(zhuǎn)換。這可以用來轉(zhuǎn)換在ADC_SQRx和ADC_JSQR寄存器中設(shè)置的多至20個轉(zhuǎn)換序列。在此模式下，必須禁止注入通道的外部觸發(fā)。

8.3ADC的校準與數(shù)據(jù)對齊

1．校準

ADC有一個內(nèi)置自校準模式。校準可大幅減小因內(nèi)部電容器的變化而造成的準精度誤差。在校準期間，每個電容器上都會計算出一個誤差修正碼(數(shù)字值)，該碼用于消除在隨后的轉(zhuǎn)換中每個電容器上產(chǎn)生的誤差。

通過設(shè)置ADC_CR2寄存器的CAL位可啟動校準。一旦校準結(jié)束，CAL位被硬件復(fù)位，即可開始正常轉(zhuǎn)換。建議在上電時執(zhí)行一次ADC校準。校準階段結(jié)束后，校準碼儲存在ADC_DR中。

注意：建議在每次上電后執(zhí)行校準。啟動校準前，ADC必須處于關(guān)電狀態(tài)(ADCON=0)超過至少兩個ADC時鐘周期。

2．數(shù)據(jù)對齊

ADC_CR2寄存器中的ALIGN位用于選擇轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存儲的對齊方式。數(shù)據(jù)可以左對齊，也可以右對齊，如圖8.3和圖8.4所示。注入組通道轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)值已經(jīng)減去了在ADC_JOFRx寄存器中定義的偏移量，因此結(jié)果可以是一個負值。SEXT位是擴展的符號值。對于規(guī)則組通道，不需要減去偏移值，因此只有12個位有效。圖8.3數(shù)據(jù)右對齊圖8.4數(shù)據(jù)左對齊 8.5ADC應(yīng)用編程實例

8.5.1ADC的應(yīng)用基礎(chǔ)

在ADC硬件電路設(shè)計過程中，輸入電壓原則上不可超過ARM芯片的供電電壓。如果輸入電壓過大，則要減小比例，如果過小，還需放大。另外模擬電路的噪聲濾除、電源隔離也很重要。

1．模擬電源的隔離

在使用ADC進行外部模擬信號檢測時，模擬輸入引腳的信號電平在任何時候都不能大于VREF+，否則ADC輸出的結(jié)果無效。對于VREF+和VREF-兩個電壓基準信號，在部分電路設(shè)計中，用戶會將電源電壓和地信號分別與這兩個引腳連接在一起。這種方法雖然可滿足一般測量要求，但引腳連接的外部阻抗會通過寄生電容將更多的數(shù)字干擾(噪聲)通過數(shù)字電源(V3.3、GND)耦合到ADC內(nèi)部的模擬電路上，從而產(chǎn)生測量誤差。為了降低噪聲和提高轉(zhuǎn)換精度，在條件允許的情況下應(yīng)將數(shù)字電源與模擬電源進行隔離，如圖8.5所示。圖8.5模擬電源信號與數(shù)字電源信號的隔離

2．模擬輸入增加緩沖器

對于不同類型的ADC而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能參數(shù)有較大的差別，尤其是內(nèi)部的模擬開關(guān)、輸入保護電路、寄生電容等都會影響ADC的轉(zhuǎn)換精度。STM32處理器內(nèi)部ADC的結(jié)構(gòu)見圖8.6(a)。為了減小模擬通道之間的影響，可增加緩沖器電路，見圖8.6(b)。

圖8.6ADC輸入電路

3．與ADC模塊自身相關(guān)的誤差

通常情況下，精度誤差以LSB為單位。電壓的分辨率與參考電壓有關(guān)。電壓誤差是按照LSB的倍數(shù)計算的。了解ADC模塊自身帶來的誤差，對分析測量結(jié)果和數(shù)據(jù)處理很有幫助。

1)偏移誤差

偏移誤差的定義為從第一次實際的轉(zhuǎn)換至第一次理想的轉(zhuǎn)換之間的偏差。當ADC模塊的數(shù)字輸出從0變?yōu)?時，發(fā)生了第一次轉(zhuǎn)換。理想情況下，當模擬輸入信號介于0.5LSB至1.5LSB范圍時，數(shù)字輸出應(yīng)該為1。即理想情況下，第一次轉(zhuǎn)換應(yīng)該發(fā)生在輸入信號為0.5LSB時，此時的誤差以偏移誤差E0標注。例如：

對于12位的A/D器件，如果VREF+?=?3.3?V，理想情況下(1?LSB?=?3300/4096?=?805.6?μV)輸入402.8?μV(0.5?LSB?=?0.5?×?805.6?μV)時，數(shù)字輸出為1。然而實際上，這時ADC模塊的讀數(shù)可能仍然為0。如果在輸入電壓達到560?μV時，數(shù)字輸出才能為1，則偏移誤差為：實際的轉(zhuǎn)換?-?理想的轉(zhuǎn)換?=?550?μV?-?402.8?μV?=?147.2?μV，即E0?=?(147.2?μV/805.6?μV)LSB=0.18LSB。當輸入的模擬電壓大于0.5?LSB時，產(chǎn)生第一次的轉(zhuǎn)換，則偏移誤差是正值0.18LSB。

2)增益誤差

增益誤差的定義為最后一次實際轉(zhuǎn)換與最后一次理想轉(zhuǎn)換之間的偏差，以EG標注。最后一次實際轉(zhuǎn)換是從FFEh至FFFh的變換。理想情況下，當模擬輸入電壓等于VREF+?-?

0.5?LSB時產(chǎn)生從FFEh至FFFh的變換，因此對于VREF+=3.3?V的情況，最后一次理想轉(zhuǎn)換應(yīng)該在3.299?597?V。當ADC數(shù)字輸出為FFFh時，VAIN?<?VREF+?-?0.5?LSB，則增益誤差為負值。

如果VREF+?=?3.3?V并且VAIN?=?3.298435?V時產(chǎn)生了從FFEh至FFFh的變換，則

3)微分線性誤差

微分線性誤差的定義為實際步長與理想步長之間的最大差別，以ED表示這里的“理想”不是表示理想的轉(zhuǎn)換曲線，而是表示ADC的分辨率。

ED?=?實際轉(zhuǎn)換步長?-?1?LSB

理想情況下，當模擬輸入電壓改變1?LSB時，應(yīng)該在數(shù)字輸出上同時產(chǎn)生一次改變。如果數(shù)字輸出上的改變需要輸入電壓大于1?LSB的改變，則ADC具有微分線性誤差。因此，DLE對應(yīng)于需要改變一個數(shù)字輸出所需的最大電壓增量。例如：

一個給定的數(shù)字輸出應(yīng)該對應(yīng)一個模擬輸入的范圍。理想情況下，步長應(yīng)為1?LSB。假定模擬輸入電壓在1.9998～2.0014?V時得到了相同的數(shù)字輸出，則步長寬度是2.0014?V?-?1.9998?V?=?1.6?mV，此時ED是高端(2.0014?V)與低端(1.9998?V)的差減去1?LSB對應(yīng)的電壓。

如果VREF+?=?3.3?V，模擬輸入1.9998?V(9B1h)可以產(chǎn)生的輸出結(jié)果介于9B0h和9B2h之間；同樣，模擬輸入

2.0014?V(9B3h)可以產(chǎn)生的輸出結(jié)果介于9B2h和9B4h之間。

這樣對應(yīng)9B2h的綜合電壓變化范圍是9B3h?-?9B1h，即對應(yīng)電壓變化范圍是2.0014?V?-?1.9998?V?=?1.6?mV(1660?μV)。

這里假定高于2.0014?V的電壓都不能得到9B2h的數(shù)字輸出結(jié)果。當步長寬度小于1?LSB時，誤差ED是負值。

4)積分線性誤差

積分線性誤差是所有實際轉(zhuǎn)換點與終點連線之間的最大差別，以EL標注。終點連線可以理解為在A/D轉(zhuǎn)換曲線上，第一個實際轉(zhuǎn)換與最后一個實際轉(zhuǎn)換之間的連線，是每一個轉(zhuǎn)換與這條線之間的偏差。因此，終點連線對應(yīng)于實際轉(zhuǎn)換曲線，而與理想轉(zhuǎn)換曲線無關(guān)。例如：

如果第一次轉(zhuǎn)換(從0至1)發(fā)生在550?μV，而最后一次轉(zhuǎn)換(從FFEh至FFFh)發(fā)生在3.298435?V(增益誤差)，則在轉(zhuǎn)換曲線上，實際數(shù)字輸出1h～FFFh的連線就是終點連線。

5)總未調(diào)整誤差

總未調(diào)整誤差(TUE)的定義為實際轉(zhuǎn)換曲線和理想轉(zhuǎn)換曲線之間的最大偏差。這個參數(shù)表示所有可能發(fā)生的誤差，導(dǎo)致理想數(shù)字輸出與實際數(shù)字輸出之間的最大偏差。這是在對ADC的任何輸入電壓在理想數(shù)值與實際數(shù)值之間所記錄到的最大偏差。

TUE不是E0、EG、ED、EL之和，偏移誤差反映了數(shù)字結(jié)果在低電壓端的誤差，而增益誤差反映了數(shù)字結(jié)果在高電壓端的誤差。8.5.2熱電阻溫度的測量應(yīng)用

1．溫度傳感器

溫度傳感器，按其測量方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩種。

通常，接觸式溫度的測量相對比較簡單可靠，具有較高的測量精度，但接觸式測量需要與被測介質(zhì)進行充分的熱交換，兩者之間需要一定的時間才能達到熱平衡，所以會存在溫度反應(yīng)延遲現(xiàn)象。同時，受到耐高溫材料的限制，接觸式溫度的測量不能應(yīng)用于溫度特別高的場合。同時，接觸式的測量方式還會破壞原有的溫度場，在一定程度上降低溫度測量的精度。

非接觸式儀表測量是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測量范圍上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度一般也比較快；但非接觸式測量方式容易受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水汽等外界因素的影響，其測量誤差較大。

1)熱電偶測溫

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，具有以下優(yōu)點。

(1)測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

(2)測量范圍廣。常用的熱電偶從?-50～+3000℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到?-300℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達+2800℃(如鎢-錸)。

(3)構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成的，而且不受大小和長度的限制，外有保護套管，使用起來很方便。

熱電偶是將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B連接在一起構(gòu)成的。但構(gòu)造分“測量端”和“參考端”。精確的測量不僅要測試“測量端”，還要考慮“參考端”的影響。

2)熱電阻測溫

熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種測溫傳感器，它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑材料的熱電阻是測量精確度中最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標準的基準儀器使用。

熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅材料等。

由于被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會給溫度測量帶來影響。為消除引線電阻的影響，一般可采用三線制或四線制平衡的方法解決。

3)半導(dǎo)體測溫

半導(dǎo)體測溫的原理是利用“二極管PN結(jié)”的反偏電阻隨周圍溫度的變化而變化的原理制作(實現(xiàn))的。常見的半導(dǎo)

體溫度傳感器有恒流式、恒壓式和數(shù)字式等多種。

這類傳感器測量精度較高，容易實現(xiàn)接口