144.6.1 ADC简单理论实验

一、ADC

1.1 实验演示

• ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）把连续变化的模拟电压转换为单片机可处理的整数；DAC（Digital to Analog Converter，数模转换器）完成相反方向的转换。
• 实验通过串口显示 ADC 原始值和换算电压。演示中可将通道接到 3.3 V 或 GND 作为已知电压参照：接 3.3 V 时结果应接近满量程，接地时结果应接近 0 V。
• 光敏电阻模块输出的是随光照变化的模拟电压，ADC 读取的是这一路电压而不是光本身。该数值可用于环境亮度检测和自动点灯。
• 视频演示的四路结果依次是：通道 1 接光敏模块模拟输出，通道 2 接开发板 3.3 V，通道 3 接开发板 GND，通道 4 接开发板 3.3 V。视频本节只演示现象和讲解原理，没有现场编写 ADC 程序；PA1PA4 与 ADC1 通道 14 的对应关系在下一节配置界面中得到确认。

光敏模块 VCC ----------------------> STM32 3.3 V   （给模块供电）
光敏模块 GND ----------------------> STM32 GND     （建立共同电压参考）
光敏模块 AO  ----------------------> PA1/ADC1_IN1  （通道1：测光敏输出）
STM32 3.3 V  ----------------------> PA2/ADC1_IN2  （通道2：满量程参照）
STM32 GND    ----------------------> PA3/ADC1_IN3  （通道3：零点参照）
STM32 3.3 V  ----------------------> PA4/ADC1_IN4  （通道4：满量程参照）

• VCC 是模块电源，GND 是所有电压共同的零点，AO 才是送入 ADC 的模拟信号。模块若还带 DO 引脚，DO 是比较器输出的数字高低电平，不属于本次 ADC 电压采集。
• 视频中通道 2、4 接 3.3 V，作用是验证 ADC 满量程；通道 3 接 GND，作用是验证零点。这三路不是给 ADC 引脚“供电”，而是让 ADC 测量三个已知电压。接线或拔线前应先断电，避免杜邦线误碰相邻引脚造成短路。
• 光敏分压电路的典型接法如下，ADC_INx 为 ADC 输入引脚，例如 PA0/ADC1_IN0：

             VDDA / 3.3 V
                  |
               R_FIXED
                  |
                  +-------> ADC_INx
                  |
                R_LDR
             光敏电阻
                  |
             VSSA / GND

• ADC 从两个电阻的中点测量电压：

$ V_{ADC}=V_{DDA}\times\frac{R_{LDR}}{R_{FIXED}+R_{LDR}} $

• 常见光敏电阻在光照增强时阻值减小。因此在图示连接中，光越强，R_LDR 越小，V_ADC 越低；遮光后电压升高。若两个电阻的位置互换，电压变化方向也会相反，应以实际分压电路和测得电压为准。
• 接线时将 3.3 V 供电、GND 公共参考地、AO 或分压中点这三件事分开理解。传感器地与 STM32 的 VSSA/GND 必须相连；ADC 输入电压不能超过 VSSA~VDDA，不能把 5 V 信号直接接到 3.3 V MCU 的 ADC 引脚。

1.2 理论部分

• 光强、声音、气压和传感器输出电压可以连续变化，属于模拟量。数字信号只能取有限个离散值，便于存储、计算和传输。
• ADC 将输入电压范围划分为有限个区间，并用整数码值表示所在区间，这个过程称为量化。分辨率描述可区分的最小电压间隔，不代表总测量误差；参考电压、传感器、噪声、布线和信号源阻抗都会影响实际读数。

1.2.1 片子介绍

• STM32F103ZET6 有 ADC1、ADC2、ADC3 三个 ADC 控制器；STM32F103C8T6 有 ADC1 和 ADC2。ADC 控制器与串口、定时器、DMA 一样，都是芯片内部外设模块。
• 一个 ADC 控制器可按顺序转换多个通道，控制器数量不等于一次只能读取几路电压。实际可用通道还要核对芯片型号、封装引脚和外设复用情况。
• ADC1 的常用外部通道映射为 IN0~IN7 -> PA0~PA7、IN8~IN9 -> PB0~PB1、IN10~IN15 -> PC0~PC5；IN16 为内部温度传感器，IN17 为内部参考电压 VREFINT。

1.2.2 三个ADC控制器

• ADC1、ADC2、ADC3 是独立外设控制器。控制器中可配置规则组和注入组：规则组用于普通的按顺序转换，注入组用于需要插入处理的高优先级转换。
• 单次转换模式由一次触发完成一次转换或一个设定序列；连续转换模式完成一次后自动开始下一次；扫描模式按 Rank 顺序转换多个通道。
• 单通道低频读取可使用轮询；多通道连续或高频采样通常使用 DMA，将各次转换结果自动搬运到数组中，避免下一次结果覆盖 DR 数据寄存器中尚未读取的值。

1.2.2.1 采样时间

• 12 位 ADC 的核心转换时间由采样时间和固定的 12.5 个 ADC 时钟周期组成：

$ T_{conv}=\frac{N_{sample}+12.5}{f_{ADC}} $

• STM32F1 的 ADC 时钟不能超过 14 MHz。当 f_ADC=14 MHz、采样时间为 1.5 个周期时，转换时间约为：

$ T_{conv}=\frac{1.5+12.5}{14\ \text{MHz}}=1\ \mu s $

• 较长采样时间能让内部采样保持电容更充分地跟随输入电压，适合光敏分压、电位器等慢变化且可能具有较高输出阻抗的信号。该时间不包含函数调用、串口发送和主循环的耗时。

1.2.2.2 采样精度

• STM32F103 的 ADC 分辨率是 12 位，不是 12 个档位，而是：

$ 2^{12}=4096 $

• 因此原始码值范围是 0~4095，共有 4096 种可能。VDDA=3.3 V 时，一个理想量化步长约为：

$ V_{LSB}=\frac{V_{DDA}}{4096}=\frac{3.3}{4096}\ \text{V}\approx0.806\ \text{mV} $

• 显示电压时，端点换算可写为：

float voltage = vdda * raw / 4095.0f;

• 该式让 raw=4095 对应 VDDA。使用 /4096.0f 表示一个 LSB 的理想步长，最大码值会略小于 VDDA。vdda 应取实际模拟电源电压，不能在精度要求较高时默认它恒为 3.3 V。

1.2.2.3 左右对齐

• ADC 的有效结果只有 12 位，而数据寄存器可按 16 位读取，因此可选择左右对齐：

右对齐：0000 D11 D10 ... D0
左对齐：D11 D10 ... D0 0000

• 右对齐可直接得到 0~4095 的整数值；后续工程配置中的 ADC_DATAALIGN_RIGHT 就表示右对齐。左对齐不改变测量结果，只是将相同的 12 位数据左移 4 位，适合只取高位进行快速处理的场景。