STM32F407 从零上路 ⑤：ADC 采集——让 STM32 学会“感觉“

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434人浏览 · 2026-06-28 14:00:00

2401_85415155 · 2026-06-28 14:00:00 发布

前言

前四篇我们处理的都是数字信号——要么是 0（低电平），要么是 1（高电平）。但现实世界是模拟的：温度是连续变化的、音量是连续变化的、电池电压也是连续变化的。

ADC（模数转换器） 就是连接数字世界和模拟世界的桥梁。这篇我们让 STM32 读取一个电位器的电压，并通过串口打印出来。

这是后面示波器项目的核心前置知识。

一、F407 的 ADC 规格

参数	值
分辨率	12 位（0~4095）
通道数	3 个 ADC，共 16+ 通道
转换速度	最快 2.4MHz（0.42μs）
模式	单次、连续、扫描、间断
电压范围	0 ~ 3.3V（VREF+ 接 VDDA）

12 位分辨率的含义：

3.3V ÷ 4096 ≈ 0.8mV/步

也就是说 ADC 读到 1 对应约 0.8mV 的变化——对于大多数应用足够了。

二、硬件准备

最简单的方式：一个电位器（10kΩ 可调电阻）做分压。

接线：

电位器：
引脚 1 ──── VDD（3.3V）
引脚 2 ──── PA0（ADC1 通道 0）
引脚 3 ──── GND

没有电位器的话，也可以用两个电阻（比如 10kΩ + 10kΩ）做分压，得到一个固定的 1.65V 中点电压。

三、CubeMX 配置

3.1 配置 ADC

左侧 Analog → ADC1
勾选 IN0（对应 PA0）
参数设置：
- Mode：Independent mode
- Clock Prescaler：PCLK2 divided by 4（ADC 时钟不要超过 36MHz）
- Resolution：12 bits
- Scan Conversion Mode：Disabled
- Continuous Conversion Mode：Enabled（连续采集，不用每次手动触发）
- EOC Selection：Single conversion
- 其他保持默认

3.2 配置 PA0 为 Analog

ADC 输入引脚必须配成 Analog 模式（不是浮空输入！），CubeMX 选了 IN0 后会自动设置。

3.3 配置 USART1（用于打印数据）

参考第②篇，配好 USART1（115200 波特率），加好 printf 重定向。

3.4 生成代码

四、代码：读取 ADC 并打印

4.1 最简单的单次采集

uint32_t adc_value;

HAL_ADC_Start(&hadc1);                          // 启动 ADC
if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)  // 等待转换完成
{
    adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);       // 读取结果（0~4095）
}
HAL_ADC_Stop(&hadc1);                           // 停止 ADC

4.2 连续采集 + 串口打印

CubeMX 已经勾选了 Continuous Conversion Mode，启动一次就连续采集：

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_ADC_Start(&hadc1);   // 启动连续采集
printf("ADC Test Started\r\n");
/* USER CODE END 2 */

/* USER CODE BEGIN 3 */
while (1)
{
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)
    {
        uint32_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
        float voltage = adc_val * 3.3f / 4096.0f;  // 用 4096（2^12）而非 4095，与前文分辨率解释一致

        printf("ADC = %4lu  (%.2fV)\r\n", adc_val, voltage);
    }
    HAL_Delay(200);  // 每 200ms 打印一次
}
/* USER CODE END 3 */

旋转电位器，串口打印的数字应该跟着变化：

ADC = 2048  (1.65V)
ADC = 1024  (0.83V)
ADC = 3072  (2.48V)
ADC = 4095  (3.30V)

4.3 ADC + DMA（不占 CPU）

上面的 PollForConversion 是轮询方式——CPU 在等待 ADC 转换时是阻塞的。如果用 DMA 方式，ADC 转换完自动把数据搬进内存，CPU 全程不参与。

CubeMX 配置 DMA：

ADC1 设置中 → DMA Settings 标签 → Add
DMA Request：选择 ADC1
Direction：Peripheral To Memory
Mode：Circular（循环模式，持续搬运）
Data Width：Peripheral = Half Word，Memory = Half Word

代码：

#define ADC_BUF_SIZE 100
uint16_t adc_buf[ADC_BUF_SIZE];

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_buf, ADC_BUF_SIZE);
/* USER CODE END 2 */

// ADC 转换完成回调
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    if (hadc->Instance == ADC1)
    {
        // adc_buf 里装满了最新的采样值
        // 可以在这里处理或设置标志位让主循环处理
    }
}

如果用 Circular 模式 + DMA，ADC 会不停地采集并把数据写入数组，CPU 可以安心做其他事情，完全不参与转换过程。

五、ADC 采样值可视化

光看数字很枯燥。配合第②篇的串口方案，可以把 ADC 数据变成实时波形图。

5.1 用 VOFA+ 画波形

VOFA+ 是常用的串口波形工具，支持"火线协议"。

打印格式（每行一个数据 + 换行）：

printf("%.2f\r\n", voltage);
HAL_Delay(10);  // 100Hz 采样率

VOFA+ 设置：

串口：选择你的 COM 口，波特率 115200
协议：FireWater
点击左上角波形图标 → 选择数据通道 → 实时曲线

5.2 用手摸一下

把 PA0 从电位器断开，改成用杜邦线悬空：

手捏住杜邦线金属端：读到人体感应噪声（50Hz 工频干扰）
用手指轻触 3.3V 引脚再碰 PA0：看到电压跳变

这个小实验让你直观感受到 ADC 的速度和灵敏度，也是示波器项目的基础。

六、多通道采集

实际项目中经常需要同时采集多个模拟信号。STM32 支持扫描模式自动切换通道。

6.1 CubeMX 配置多通道

ADC1 → IN0 和 IN1（或更多）都勾上
Scan Conversion Mode：Enabled
Number of Conversion：2
在 Rank 中分别设置每个通道的 Sampling Time

6.2 代码

uint32_t adc_vals[2];  // 两个通道的结果

HAL_ADC_Start(&hadc1);

for (int i = 0; i < 2; i++)
{
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
    adc_vals[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}

HAL_ADC_Stop(&hadc1);

printf("CH0 = %lu, CH1 = %lu\r\n", adc_vals[0], adc_vals[1]);

扫描模式下每一次 PollForConversion + GetValue 拿到的当前通道的数据，拿完后 ADC 自动切换到下一个通道。

七、ADC 参数调节与注意事项

7.1 采样时间

ADC 转换需要时间。CubeMX 中可以调节 Sampling Time：

采样周期数	总转换时间（ADC 时钟 21MHz（PCLK2/4））	适用场景
3 cycles	约 0.71μs	低阻抗信号源（< 10kΩ）
15 cycles	约 1.29μs	一般信号
28 cycles	约 1.90μs	高阻抗信号源（10k~50kΩ）
56 cycles	约 3.24μs	高阻抗、噪声大的信号
84 cycles	约 4.57μs	推荐初学者默认值
112 cycles	约 5.90μs	慢速高精度信号
144 cycles	约 7.43μs	最慢，最稳定
480 cycles	约 23.43μs	极慢信号（温度传感器）

采样时间不够长会导致 ADC 读数偏低，因为输入电压还没"充满"采样电容。如果发现 ADC 读数一直偏小，加大采样时间试试。

7.2 噪声抑制

方法	效果
加长采样时间	降低 ADC 输入噪声
多次采样取平均	天真的做法，去掉 3 个最高/最低再平均更好
硬件加滤波电容（0.1μF 到 GND）	效果最好
远离 PWM 走线	数字噪声耦合到 ADC 输入

八、关于分辨率与精度

一个小实验说明问题：

// 采集 100 次，看看读数有多"稳"
uint32_t sum = 0;
uint32_t min = 4096, max = 0;

for (int i = 0; i < 100; i++)
{
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
    uint32_t v = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    sum += v;
    if (v < min) min = v;
    if (v > max) max = v;
}

printf("Avg = %lu, Min = %lu, Max = %lu, Range = %lu\r\n",
       sum / 100, min, max, max - min);

即使输入电压不变，ADC 的读数也会在小范围内跳动（1~3 个 LSB）。这是正常的——分辨率 ≠ 精度。12 位分辨率不代表 12 位精度，实际有效位数（ENOB）一般在 10~11 位。