一、ADC 是什么

ADC 的全称是 Analog-to-Digital Converter，即模拟/数字转换器。

单片机本身处理的是数字量，而现实世界中的很多信号都是模拟量，例如电压、温度、光照、压力、电流等。ADC 的作用就是把连续变化的模拟电压转换成单片机能够处理的数字量。

典型数据流可以理解为：

传感器 -> ADC -> 单片机 -> 控制 / 显示 / 通信 / 存储

例如电位器输出 0 到 3.3 V 的模拟电压，STM32 ADC 可以把它转换为 0 到 4095 的数字量。

二、常见 ADC 类型

常见 ADC 类型包括并联比较型和逐次逼近型。

1. 并联比较型 ADC

并联比较型 ADC 通常由分压部分、比较部分和编码部分组成。

特点	说明
优点	转换速度最快
缺点	成本高、功耗高、分辨率较低

并联比较型适合高速场景，但硬件资源消耗较大。

2. 逐次逼近型 ADC

逐次逼近型 ADC 通常由控制电路、数码寄存器、D/A 转换器和电压比较器组成。

特点	说明
优点	结构简单、功耗较低
缺点	转换速度相对较慢

STM32 内部 ADC 通常属于逐次逼近型 ADC。它通过逐位逼近的方式，把输入模拟电压转换为数字结果。

3. 分辨率与采样速度的矛盾

ADC 的分辨率和采样速度往往存在矛盾：

分辨率越高，通常采样速率越低
采样速率越高，通常对分辨率和精度会有更多限制

工程中需要根据实际需求权衡。例如按键电压、电池电压这类慢变化信号不需要很高采样率，而高速波形采集则更关注采样速度。

三、ADC 关键参数

1. 分辨率

分辨率表示 ADC 能辨别的最小模拟量，通常用二进制位数表示，例如 8 位、10 位、12 位、16 位等。

以 12 位 ADC 为例：

数字量范围 = 0 ~ 4095
总刻度数 = 2^12 = 4096

如果参考电压为 3.3 V，则最小刻度约为：

最小刻度 = 3.3 / 4096 ≈ 0.000805 V

也就是约 0.805 mV。

2. 转换时间

转换时间表示完成一次 A/D 转换所需的时间。

转换时间越短，单位时间内能完成的采样次数越多，采样率也越高。

STM32 ADC 的转换时间主要和以下因素有关：

• ADC 工作时钟频率

• 采样时间

• ADC 分辨率

3. 精度

精度不是简单等于分辨率。

分辨率只说明 ADC 结果有多少个刻度，而精度还会受到多种误差影响，例如：

• ADC 本身误差

• 参考电压误差

• 模拟输入噪声

• 温度变化

• PCB 走线和电源质量

• 传感器误差

因此，12 位 ADC 不代表实际测量一定能达到 12 位有效精度。

4. 量化误差

ADC 用离散数字量近似表示连续模拟量，这个过程会产生量化误差。

可以简单理解为：模拟电压落在两个数字刻度之间时，ADC 只能选择其中一个数字值表示它，因此必然存在误差。

四、ADC 参考电压与输入范围

STM32 ADC 模拟部分通常由 VDDA、VSSA、VREF+、VREF- 等信号决定。

信号	作用
VDDA	ADC 模拟电源
VSSA	ADC 模拟地
VREF+	ADC 正参考电压
VREF-	ADC 负参考电压

常见使用中：

VREF- = 0 V
VREF+ = 3.3 V
ADC输入范围 = 0 V ~ 3.3 V

输入电压必须满足：

VREF- <= VIN <= VREF+

如果输入电压超过 ADC 允许范围，可能导致转换结果错误，严重时还可能损坏芯片。因此测量高于 3.3 V 的信号时，必须使用分压、电压跟随、隔离或保护电路。

五、ADC 输入通道

STM32 ADC 通过多个输入通道连接外部引脚或内部信号。

常见通道来源包括：

• 外部 GPIO 模拟输入

• 内部温度传感器

• 内部参考电压

• VBAT 或其他内部测量通道

使用外部引脚作为 ADC 输入时，需要将对应 GPIO 配置为模拟输入模式，避免数字输入结构影响采样结果。

六、规则组与注入组

STM32 ADC 通道转换分为规则组和注入组。

1. 规则组

规则组是最常用的转换组。

特点：

• 最多可配置 16 个转换通道。

• 转换顺序由规则序列寄存器 SQRx 控制。

• 适合普通周期采样、连续采样和 DMA 采集。

规则组转换结果保存在：

ADCx_DR

2. 注入组

注入组可以理解为优先级更高的一组转换。

特点：

• 最多可配置 4 个转换通道。

• 转换顺序由注入序列寄存器 JSQR 控制。

• 可以在规则组转换过程中插入执行。

注入组转换结果保存在：

ADCx_JDRy, y = 1 ~ 4

普通 ADC 采样场景下，优先掌握规则组即可。

七、ADC 触发源

ADC 转换需要触发源启动。

常见触发方式包括：

触发方式	说明
软件触发	程序调用函数启动转换
ADON 位触发	F1 中再次写 ADON 位可启动规则组转换
外部事件触发	由定时器、外部事件等触发 ADC 转换

规则组和注入组都可以使用外部触发，但具体可选触发源与芯片系列和 ADC 实例有关。

在工程中，软件触发适合低速、按需采样；定时器触发适合固定采样频率的场景。

八、ADC 转换时间

ADC 完成一次转换需要时间。

转换时间主要由采样时间和转换周期组成。

可以简单理解为：

总转换时间 = 采样时间 + ADC内部转换时间

以 12 位 ADC 为例，内部转换通常需要固定若干 ADC 时钟周期，再加上用户配置的采样时间。

如果采样时间设置为 239.5 个 ADC 时钟周期，且 ADC 时钟合适，一次转换时间可能达到几十微秒级。

采样时间不是越短越好。采样时间过短时，ADC 采样电容可能还没有稳定到输入电压，导致转换结果偏差变大。高阻抗信号源尤其需要更长的采样时间。

九、ADC 数据寄存器与数据对齐

规则组转换结果存放在：

ADCx_DR

注入组转换结果存放在：

ADCx_JDR1 ~ ADCx_JDR4

ADC 数据可以设置为右对齐或左对齐。

对齐方式	特点
右对齐	常用，读取结果更直观
左对齐	便于某些定点计算或兼容高位数据处理

大多数应用中使用右对齐即可。

十、ADC 中断与 DMA

1. EOC 转换结束标志

规则通道转换结束后，会产生 EOC 标志。

程序可以通过以下方式获取结果：

• 轮询等待转换完成。

• 开启转换完成中断。

• 使用 DMA 自动搬运结果。

2. DMA 请求

规则组每个通道转换结束后，除了可以产生中断外，还可以产生 DMA 请求。

使用 DMA 的目的，是及时把转换好的数据传输到指定内存中，防止数据被覆盖，也减少 CPU 频繁读取 ADC 数据寄存器的负担。

DMA 特别适合：

• 连续采样

• 多通道扫描采样

• 高采样率采集

• 固定长度采样缓存

十一、单次转换、连续转换和扫描模式

ADC 常见模式包括单次转换模式、连续转换模式和扫描模式。

1. 单次转换模式

单次转换模式只触发一次转换。

转换完成后 ADC 停止，需要下一次触发才会再次转换。

适合：

• 按键触发采样

• 偶尔读取电池电压

• 低频传感器采样

2. 连续转换模式

连续转换模式下，ADC 完成一次转换后会自动开始下一次转换。

适合：

• 持续采集某个模拟量

• 配合 DMA 自动更新采样结果

• 需要实时监测的信号

3. 扫描模式

关闭扫描模式时，ADC 只转换规则序列或注入序列中选中的第一个通道。

开启扫描模式时，ADC 会按序转换序列中配置的多个通道。

4. 模式组合

模式组合	效果
单次转换 + 不扫描	只转换一个通道一次
单次转换 + 扫描	按序转换多个通道一次
连续转换 + 不扫描	只转换一个通道，转换完成后自动进入下一次
连续转换 + 扫描	按序转换多个通道，完成后自动进入下一轮

还有一种不连续采样模式，在 F1 手册中也称为间断模式，通常只适用于扫描模式。它可以把完整扫描序列拆成多个小段触发执行。

十二、单通道 ADC 采集

单通道采集是 ADC 最基础的使用方式。

典型目标：

采集某个模拟输入通道的电压
读取 ADC 数字量
换算为实际电压值

以 12 位 ADC、VREF+ = 3.3 V 为例：

最小刻度 = 3.3 / 4096
输入电压 = ADC_Value * 3.3 / 4096

配置步骤

使用 HAL 库进行单通道 ADC 采集时，典型流程如下：

• 配置 ADC 工作参数并执行校准：

HAL_ADC_Init();
HAL_ADCEx_Calibration_Start();

• 完成 ADC MSP 初始化：

HAL_ADC_MspInit();

MSP 初始化通常包括 GPIO、ADC 时钟、NVIC 等配置。

• 配置 ADC 通道参数：

HAL_ADC_ConfigChannel();

• 启动 A/D 转换：

HAL_ADC_Start();

• 等待规则通道转换完成：

HAL_ADC_PollForConversion();

• 获取 ADC 转换结果：

HAL_ADC_GetValue();

这种方式适合低速采样和简单测试。

十三、单通道 ADC + DMA 采集

当需要连续采集单个通道时，可以使用 ADC + DMA。

典型配置：

连续转换模式
不使用扫描模式
DMA 将 ADCx_DR 中的数据搬运到内存变量或数组

配置步骤

典型流程如下：

• 初始化 DMA：

HAL_DMA_Init();

• 将 DMA 句柄和 ADC 句柄关联：

__HAL_LINKDMA();

• 配置 ADC 工作参数并执行校准：

HAL_ADC_Init();
HAL_ADCEx_Calibration_Start();

• 完成 ADC MSP 初始化：

HAL_ADC_MspInit();

• 配置 ADC 通道参数：

HAL_ADC_ConfigChannel();

• 配置 DMA 中断优先级并使能中断：

HAL_NVIC_SetPriority();
HAL_NVIC_EnableIRQ();

• 编写 DMA 中断服务函数：

void DMAx_Channely_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_xxx);
}

• 启动 DMA 并开启传输完成中断：

HAL_DMA_Start_IT();

• 启动 ADC DMA 转换：

HAL_ADC_Start_DMA();

使用 DMA 时，要注意缓冲区长度、DMA 数据宽度、ADC 数据对齐和采样频率。

十四、多通道 ADC + DMA 采集

多通道采集通常使用扫描模式配合 DMA。

典型配置：

连续转换模式
使用扫描模式
规则序列配置多个通道
DMA 将每个通道结果依次搬运到数组中

例如配置 6 个通道，则 DMA 缓冲区通常也需要至少 6 个元素：

uint16_t adc_buf[6];

每一轮扫描完成后，缓冲区中的数据对应各通道转换结果。

需要注意：

• 通道顺序由规则序列决定。

• DMA 数组下标要和通道顺序对应。

• 多通道总采样周期会比单通道更长。

• 每个通道可以根据输入阻抗设置合适采样时间。

十五、过采样与求均值

过采样和求均值可以在一定程度上提高 ADC 有效分辨率，并降低随机噪声影响。

1. 过采样基本思路

如果希望提高 N 位分辨率，需要提高采样次数，并对多次采样结果求和后右移。

常见结论：

提高 N 位分辨率，需要右移 N 位

例如，12 位 ADC 希望提高 4 位，得到近似 16 位结果，需要进行 256 次采样：

采样次数 = 4^N = 4^4 = 256

处理方式：

256 次采样结果求和 -> 右移 4 位 -> 得到提高分辨率后的结果

2. 注意事项

过采样不是万能的。

需要满足：

• 输入信号变化不能太快。

• 采样频率足够高。

• 系统存在一定随机噪声，否则提升有限。

• 累加变量位宽要足够，避免溢出。

例如 12 位 ADC 最大值为 4095，256 次累加最大为：

4095 * 256 = 1048320

因此累加变量至少应使用 32 位。

十六、内部温度传感器

STM32 内部通常集成温度传感器，可通过 ADC 内部通道读取。

使用内部温度传感器时，基本流程是：

1. 使能内部温度传感器通道。

2. 配置 ADC 对内部通道采样。

3. 读取 ADC 数字量。

4. 换算为传感器输出电压。

5. 根据芯片手册公式换算温度。

需要注意：

• 内部温度传感器精度有限，更适合芯片温度趋势监测。

• 不适合作为高精度环境温度计。

• 不同 STM32 系列的温度换算公式可能不同。

• 采样时间通常需要设置得较长，保证内部通道采样稳定。

十七、光敏传感器采集思路

光敏二极管的核心是 PN 结，对光照强度敏感。

它具有以下特点：

概念	说明
单向导电性	工作时通常需要加反向电压
暗电流	无光照时反向电流很小
光电流	有光照时，光照越强，反向电流越大

实际电路中，可以利用光电流变化，并串联电阻，把电流变化转换为电压变化，再由 ADC 读取。

常见处理方式：

光照变化 -> 光敏器件电流变化 -> 电阻上电压变化 -> ADC采样 -> 换算光强等级

由于光敏二极管响应通常不是严格线性的，工程上常把 ADC 结果映射为 0 到 100 的光照强度等级，而不是直接计算绝对光照值。