理论知识

一、数字信号 vs 模拟信号

1. 模拟信号（Analog Signal）

• 定义：连续变化的信号，可以取任意值。例如：温度、声音、光线强度等自然界的信号。
• 特点：
  • 信号是连续的（比如电压从0V到3.3V平滑变化）。
  • 容易受干扰（如噪声、电磁干扰）。
• 例子：麦克风输出的音频信号、温度传感器的输出电压。

2. 数字信号（Digital Signal）

• 定义：离散的信号，只有两个状态：高电平（1）和低电平（0）。
• 特点：
  • 信号是离散的（比如只有0V和3.3V两种状态）。
  • 抗干扰能力强，适合计算机处理和传输。
• 例子：开关的开关状态、UART通信的数据。

3. 为什么需要ADC？

• 自然界中大多数信号是模拟的（如温度、压力），但计算机只能处理数字信号。
• **ADC（模数转换器）**的作用就是将模拟信号转换为数字信号，供单片机处理。

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二、模数转换器ADC的基本原理

1. ADC的核心步骤

• 采样（Sampling）：以固定频率采集模拟信号的瞬时值。
  • 采样率：每秒采样的次数（例如1kHz）。
  • 奈奎斯特定理：采样率必须≥信号最高频率的2倍，否则会失真。
• 量化（Quantization）：将连续的模拟值转换为离散的数字值。
  • 分辨率：ADC的位数（如12位ADC的分辨率为 2^12=4096 级）。
  • 例如：3.3V参考电压下，12位ADC的最小分辨电压为 3.3V / 4096 ≈ 0.8mV。
• 编码（Encoding）：将量化后的值转换为二进制数字。

ADC计算过程：

三个参量：1.ADC位数 2.参考低电压Vref- 3.参考高电压Vref+

result = (V - Vref-)/(Vref+ - Vref-)*(2^x - 1)

#### 2. ADC的关键参数

• 分辨率：位数越高，分辨率越强（STM32常用12位ADC）。
• 精度: 性能越高，波动越小，精度越高。
• 转换时间：完成一次转换所需的时间（影响最大采样率）。
• 输入范围：ADC能测量的电压范围（如0~3.3V）。

实际应用注意点

1. 抗干扰：模拟信号易受干扰，需加滤波电路（如RC低通滤波）。
2. 参考电压稳定性：VREF+的波动会直接影响ADC精度。
3. 采样时间：较短的采样时间可能导致误差，需根据信号源阻抗调整。

硬件电路连接

本实验采用ADC1对应的IN4引脚为PA4

• PA4连接学生电源正极
• GND连接学生电源负极
  关于学生电源
• 建议输出电压不要超过3.3V
• 如果没有学生电源，用3.3V以内的干电池亦可
• 如果用到了降压稳压模块，请确保稳压模块的质量足够可靠，防止电压尖峰将MCU烧坏

工程配置

CubeMX中

• 选择MCU

• 配置RCC的HSE为外部晶振

• 配置时钟树HSE输出主频

• Debug选项选择serial wire

• 工程管理中修改工程与路径，注意不要有中文等字符

• 代码生成到单独头文件
  
  配置ADC1
  将ADC1的IN4使能

• ADCs_Common_Settings

  • Mode（扫描模式）：独立模式， 如果要和其他ADC（如ADC2、ADC3）等配合则需要交替工作模式

• ADC_Settings

• Clock Prescaler（时钟预分频）：从PCLK2获取，受限于硬件性能，必须在36MHz以内，输入频率通过分频后成为ADC的时钟主频

• Resolution（分辨率）：12位即可（需要15个ADC主频周期的时间来完成一轮采集）

• Data Alignment（数据对齐）：选择右对齐即可，12位需要两字节（16Bit），右对齐相当于ADC真实的数值，左对齐相当于ADC真实数值左移四位，即16倍的关系。

• Scan Conversion（扫描转换模式）：使能会采集ADC所有的通道，否则仅按顺序采集一个通道

  • 
  • 如上图所示，如果使能扫描转换模式则会采样4、5、6、7四个通道，否则一次采样只会采集一个通道。

• Continuous Conversion Mode（连续转换模式）：使能则可以在使能ADC时便自动开始采集，而非手动采集

• Discontinuous Conversion Mode（间断采集模式）：使能则可以在一轮采集完后暂停采集等待指令控制下一轮采集
  ADC_Regular_Conversion Mode：配置ADC通道采集顺序等

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另外的ADC转换策略，采用DMA，可以自动转换且对系统影响较小

• Cube中配置好采样通道，在原来的配置基础上进行操作更改
  • 使能ADC对应的DMA通道，循环搬运，半字（2字节，16bit）转换
  • 扫描转换模式使能
  • 连续转换模式使能
  • 间断采集模式禁用
  • DMA连续请求使能
• 主程序只需在初始化后增加下述代码
  • HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,(uint32_t*)&ADC_Value,1)；
  • 第一个参量是ADC对应的外设地址
  • 第二个参量是ADC值的地址
  • 第三个参量是一个循环的采样数

代码编写

uint16_t ADC_Value;
  while (1)
  {
	  HAL_ADC_Start(&hadc1);
	  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1,50);
	  if(HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc1),HAL_ADC_STATE_REG_EOC))
	  {
		  ADC_Value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
		  HAL_Delay(500);
	  }
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }

以下是对该段STM32 HAL库代码的逐行解析：

if(HAL_IS_BIT_SET(HAL_ADC_GetState(&hadc1),HAL_ADC_STATE_REG_EOC))
{
    ADC_Value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    HAL_Delay(500);
}

一、函数解析

1. HAL_ADC_GetState(&hadc1)

   • 功能：获取ADC外设当前状态
   • 参数：指向ADC句柄的指针（此处为hadc1）
   • 返回值：ADC状态寄存器值（32位掩码）

2. HAL_IS_BIT_SET(state, flag)

   • 功能：检测状态寄存器中指定标志位是否置位
   • 参数：
     • state：状态寄存器值
     • flag：待检测的标志位（此处为HAL_ADC_STATE_REG_EOC）
   • 返回值：布尔值（1表示置位，0表示未置位）

3. HAL_ADC_GetValue(&hadc1)

   • 功能：读取ADC数据寄存器（DR）的转换结果
   • 参数：ADC句柄指针
   • 返回值：12位ADC转换值（0-4095）

4. HAL_Delay(500)

   • 功能：实现毫秒级阻塞延时
   • 参数：延时时间（单位ms）

二、代码功能说明

1. 状态检测：

   • 检测HAL_ADC_STATE_REG_EOC标志位（规则组转换完成标志）
   • 当规则通道转换完成时，该标志位自动置1

2. 数据读取：

   • 当检测到转换完成标志后，读取ADC数据寄存器
   • 读取操作会自动清除EOC标志位

3. 延时控制：

   • 每次读取后阻塞500ms（相当于2Hz采样率）
   • 该延时会影响程序实时性

三、注意事项

1. 标志位特性：

   • HAL_ADC_STATE_REG_EOC仅针对规则通道
   • 注入通道需使用HAL_ADC_STATE_INJ_EOC

2. 数据寄存器特性：

   • ADC数据寄存器为32位，实际有效位取决于分辨率
   • 12位模式下数据存储在低12位（DR[11:0]）

3. 延时问题：

   • 在中断服务函数中禁止使用HAL_Delay
   • 建议改用非阻塞方式（如定时器中断）

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补充

Resolution（分辨率）参数解释

一、12位分辨率

• 表示ADC的量化精度为2^12=4096个等级
• 模拟输入电压将被转换为0~4095的数字值
• 例如当参考电压VREF+ = 3.3V时：

  最小可分辨电压 = 3.3V / 4096 ≈ 0.8mV
  

二、15个ADC主频周期

指ADC转换过程需要的时间组成：

1. 采样时间：15个ADC时钟周期（配置寄存器SMPx设置）
2. 转换时间：
   • 12位分辨率需要12.5个周期（固定值）
   • 总周期数 = 15（采样） + 12.5（转换）= 27.5周期

计算公式

总转换时间 = (采样周期数 + 转换周期数) × ADC时钟周期
示例（当ADC时钟配置为14MHz时）：

总时间 = 27.5 × (1/14MHz) ≈ 1.96μs

参数优化原则

• 采样时间↑ → 抗噪能力↑ → 转换速度↓
• 分辨率↑ → 精度↑ → 转换速度↓
• 高频信号建议使用较低分辨率+较短采样时间

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若教眼底无离恨，不信人间有白头。 —辛弃疾