ADC采集结果为什么不稳定？硬件与软件原因及STM32排查方法详解

WWJA王文举

550人浏览 · 2026-08-04 19:40:58

WWJA王文举 · 2026-08-04 19:40:58 发布

ADC采集结果为什么不稳定？硬件与软件原因及STM32排查方法详解

前言

在使用 STM32、GD32、ESP32 或其他 MCU 采集模拟电压时，经常会遇到下面这些问题：

输入电压明明没有变化，ADC数值却一直跳动；
万用表测量是1.65V，ADC换算后却只有1.58V；
同一个通道偶尔出现很大的异常值；
切换ADC通道后，第一次采样结果明显不正确；
电机、风扇或继电器启动后，ADC结果突然剧烈波动；
使用DMA采集后，数据比轮询采集更加混乱；
增加平均滤波后数值稳定了，但响应速度明显变慢。

很多人遇到 ADC 不稳定时，第一反应是增加平均滤波：

adc_value = (value1 + value2 + ... + value100) / 100;

平均滤波确实能减小部分随机噪声，但如果问题来自参考电压、输入阻抗、采样时间、PCB布局或者通道配置，单纯增加平均次数只能掩盖问题，无法真正解决问题。

ADC 采集问题需要从以下几个层面分析：

模拟信号源
   ↓
输入调理电路
   ↓
ADC引脚和参考电压
   ↓
采样保持电路
   ↓
ADC配置
   ↓
软件读取
   ↓
数字滤波
   ↓
电压换算

本文将从 ADC 基本原理开始，详细分析 ADC 采集结果不稳定的硬件原因、软件原因、滤波方法和完整排查流程。

一、ADC是什么

ADC 的英文全称是：

Analog-to-Digital Converter

中文称为：

模数转换器

它的作用是将连续变化的模拟电压转换为 MCU 可以处理的数字量。

例如，一个 12 位 ADC 使用 3.3V 参考电压：

输入0V       → ADC结果接近0
输入1.65V    → ADC结果接近2048
输入3.3V     → ADC结果接近4095

对于 N 位 ADC，一共可以表示：

2^N

个离散等级。

12 位 ADC 可以表示：

2^12 = 4096

个等级，输出代码通常为：

0～4095

理想情况下，一个最低有效位所对应的电压约为：

1 LSB = VREF / 2^N

当参考电压为 3.3V、分辨率为 12 位时：

1 LSB = 3.3V / 4096
      ≈ 0.0008057V
      ≈ 0.806mV

这意味着输入电压变化不到约 0.806mV 时，数字结果不一定发生变化。

反过来，即使输入完全稳定，ADC 结果在相邻的几个代码之间轻微变化，也不一定代表系统存在严重故障。

二、ADC“稳定”和“准确”不是一回事

这是分析 ADC 问题前必须区分的两个概念。

1. 稳定性

稳定性表示连续采样结果的波动程度。

例如：

这些结果平均值比较固定，波动范围也比较小，可以认为稳定性较好。

2. 准确性

准确性表示 ADC 测量结果与真实输入值之间的差距。

例如，真实输入为：

1.650V

ADC连续输出：

1.600V
1.601V
1.600V
1.601V

结果非常稳定，但存在约 50mV 的系统误差。

因此：

稳定但不准确：
通常与参考电压、增益误差、偏置误差和换算公式有关。

准确但波动：
通常与随机噪声、量化误差、采样干扰和滤波不足有关。

既不稳定也不准确：
需要同时检查硬件和软件配置。

STM32 的 ADC 精度不仅受到量化误差影响，还可能受到偏置误差、增益误差、线性误差、参考电压以及模拟输入电路等因素影响。ST 的 ADC 精度应用笔记也将这些误差和外部设计条件列为主要优化对象。

三、ADC内部是如何采样的

很多 ADC 不稳定问题，根本原因是没有理解 ADC 引脚内部并不是一个理想的无限大阻抗电压表。

典型 SAR ADC 输入端可以简化为：

模拟信号源
    │
    ├── 信号源电阻 RSOURCE
    │
    ▼
ADC输入开关 RSW
    │
    ▼
采样保持电容 CSH

ADC采样过程分为两个阶段：

采样阶段：
开关闭合，外部信号给内部采样电容充电。

保持和转换阶段：
开关断开，ADC根据采样电容上的电压进行数字转换。

如果信号源输出阻抗过大，或者采样时间太短，内部采样电容还没有充到接近真实输入电压，ADC 就结束了采样。

最终结果可能表现为：

ADC结果偏低；
连续采样值不一致；
通道切换后第一笔数据错误；
输入电压变化后ADC响应缓慢；
采样频率越高，误差越大。

SAR ADC 的采样保持电容需要在有限采集时间内充电并完成稳定，因此高输入阻抗通常需要更长采样时间、缓冲器或适当的输入电容。

四、ADC结果轻微跳动一定是故障吗

不一定。

例如12位ADC连续读取一个稳定电压：

ADC = 2047
ADC = 2048
ADC = 2047
ADC = 2049
ADC = 2048

这种相邻几个 LSB 的轻微跳动可能来自：

ADC量化误差；
MCU内部数字电路噪声；
电源微小波动；
热噪声；
参考电压噪声；
时钟耦合；
环境电磁干扰。

理想 ADC 本身也存在量化过程，通常可以将理想量化误差理解为约 ±0.5 LSB。

真正需要重点排查的是：

波动达到几十甚至几百个ADC码；
数值周期性大幅变化；
切换通道后结果明显串扰；
电机启动后采样值突然异常；
静态输入下采样结果缓慢漂移；
ADC结果经常突然变成0或满量程。

五、ADC结果不稳定的硬件原因

1. 参考电压不稳定

ADC测量的本质不是直接测量绝对电压，而是测量：

输入电压与参考电压之间的比例

理想情况下：

ADC_CODE ≈ VIN / VREF × (2^N - 1)

因此，即使 VIN 完全不变，只要 VREF 发生变化，ADC结果也会变化。

例如输入电压固定为1.65V。

当参考电压为3.30V时：

ADC ≈ 1.65 / 3.30 × 4095
    ≈ 2048

当参考电压下降到3.20V时：

ADC ≈ 1.65 / 3.20 × 4095
    ≈ 2112

输入电压没有变化，但ADC结果已经明显改变。

常见问题

VDDA直接使用噪声较大的数字3.3V；
VREF引脚附近没有去耦电容；
电机、继电器或风扇与ADC共用电源；
LDO输出纹波较大；
大电流器件启停引起电压跌落；
模拟地和数字地回流路径不合理；
VREF通过过长走线连接；
参考源驱动能力不足。

改进方法

按照芯片数据手册配置 VDDA、VREF+ 去耦；
将去耦电容尽量靠近芯片引脚；
将模拟供电与强干扰负载适当隔离；
优化地平面和电流回流路径；
必要时使用更稳定的外部基准源；
通过 MCU 内部 VREFINT 估算实际 VDDA。

需要注意：

ADC换算时不能永远假设参考电压精确等于3.300V。

更可靠的方法是测量实际参考电压，或者利用芯片内部校准过的参考通道进行补偿。

2. ADC输入引脚悬空

如果 ADC 引脚没有连接到确定电压，输入端就处于悬空状态。

悬空引脚很容易耦合：

工频干扰；
人体静电；
相邻数字信号；
时钟信号；
空间电磁噪声。

此时ADC结果可能从0到满量程之间大幅跳动。

验证方法

将ADC引脚通过一个较小电阻连接到地：

ADC输入 → 1kΩ～10kΩ → GND

如果结果立即稳定在接近0，说明ADC本身可能正常，之前的问题是输入悬空或者信号源连接不可靠。

也可以将ADC输入连接到稳定基准电压进行测试。

3. 信号源输出阻抗过大

这是 MCU 内部 ADC 最常见、也最容易忽略的问题之一。

例如使用两个大电阻分压：

24V
 │
 R1 = 1MΩ
 │──── ADC
 R2 = 100kΩ
 │
GND

虽然分压比例可能正确，但等效输出阻抗非常大。

ADC内部采样电容在较短采样时间内无法充满，就会导致转换值偏差或者波动。

ST 的 ADC 精度说明明确指出，高信号源阻抗会影响内部采样保持电容的充电过程，增加采样时间可以减小由此产生的附加误差。

改进方法一：降低分压电阻

例如将：

1MΩ和100kΩ

适当降低为：

100kΩ和10kΩ

但需要同时考虑：

分压器功耗；
被测信号源负载；
输入保护电流；
电阻精度。

改进方法二：增加ADC采样时间

例如将：

ADC_SAMPLETIME_2CYCLES_5

改为：

ADC_SAMPLETIME_47CYCLES_5

或者更长采样时间。

不同STM32系列支持的采样周期选项不同，应根据对应数据手册和参考手册选择。

改进方法三：增加运算放大器缓冲

可以使用电压跟随器：

高阻抗信号
    ↓
运算放大器电压跟随器
    ↓
低输出阻抗
    ↓
ADC输入

需要选择适合ADC驱动的运算放大器，并考虑：

输入共模范围；
输出摆幅；
稳定性；
带宽；
建立时间；
失调电压；
供电范围。

改进方法四：在ADC输入端增加电容

可以在ADC引脚附近增加一个小电容：

信号源 ── R ── ADC
               │
               C
               │
              GND

电容可以：

为内部采样电容提供局部电荷；
滤除高频噪声；
减小采样瞬间的电压跌落。

但电容不是越大越好。

它与前级电阻构成低通滤波器：

FC = 1 / (2πRC)

如果电容过大，会导致：

信号响应变慢；
快速变化信号被严重衰减；
多通道扫描稳定时间增加。

增加输入电容对直流或低频高阻抗信号可能有效，但它同时会降低输入带宽，因此必须根据目标信号频率设计。

4. ADC采样时间太短

ADC采样时间决定内部采样电容连接到外部信号的时间。

采样时间过短时，结果可能表现为：

低阻抗信号正常；
高阻抗信号异常；
采样速度降低后结果变准；
增加采样周期后数值明显稳定。

采样时间与以下因素有关：

ADC分辨率；
ADC时钟；
信号源输出阻抗；
ADC内部采样电容；
输入电压变化速度；
目标精度。

RC充电过程可以近似表示为：

VC(t) = VIN × [1 - e^(-t/RC)]

要达到更高精度，采样电容必须更加接近最终输入电压，因此需要更长的稳定时间。

实际开发中不建议仅凭理论公式决定采样时间，而应该：

查看芯片数据手册中的ADC输入阻抗要求；
查看不同采样周期允许的最大外部阻抗；
从较长采样时间开始测试；
使用示波器或稳定电压源验证误差。

5. ADC输入没有RC低通滤波

传感器输出或者长线信号中可能包含大量高频噪声。

如果直接进入ADC：

传感器输出 ───────── ADC

高频干扰会直接反映到采样结果中。

可以增加简单RC低通滤波：

传感器输出 ── R ── ADC
                   │
                   C
                   │
                  GND

截止频率为：

FC = 1 / (2πRC)

例如：

R = 1kΩ
C = 100nF

截止频率约为：

FC ≈ 1591Hz

但RC参数必须根据被测信号带宽确定。

例如温度、电池电压等缓慢信号，可以使用较低截止频率；电流环、音频、振动信号则需要保留更高带宽。

6. 没有进行抗混叠滤波

如果输入信号中包含超过采样频率一半的频率成分，高频信号可能折叠到低频区域，形成混叠。

根据采样理论，采样频率应高于目标信号最高频率的两倍，但实际系统通常还要预留模拟滤波器过渡带。

例如：

目标信号最高频率：1kHz
ADC采样率：2kHz

理论上刚好满足两倍条件，但真实滤波器无法在1kHz到1kHz之间瞬间完成无限衰减，因此工程上应提高采样率并设计模拟抗混叠滤波器。

TI 的 ADC 资料将混叠列为采样系统中的误差来源，并建议在ADC前使用抗混叠滤波器抑制超出目标带宽的频率成分。

7. 电源纹波和负载干扰

当系统中存在以下负载时，ADC容易受到明显干扰：

直流电机；
无刷风扇；
PWM负载；
蜂鸣器；
继电器；
DC-DC电源；
大功率LED；
高频通信模块。

例如PWM控制风扇时，电源电流会周期性变化。

如果ADC采样时间恰好与PWM开关时刻重合，采样结果可能出现周期性波动。

改进方法

模拟电源与功率电源适当隔离；
增加局部去耦和储能电容；
优化接地和回流路径；
ADC采样避开PWM开关边沿；
使用定时器触发ADC，在固定相位采样；
对传感器供电增加滤波；
使用差分测量或者仪表放大器。

8. PCB布局不合理

ADC前端是模拟小信号电路，PCB布局会直接影响采样结果。

常见问题包括：

ADC输入线与PWM、SPI、时钟线平行；
模拟信号跨越数字地分割区域；
ADC输入走线过长；
VREF去耦距离芯片过远；
大电流回流经过模拟地；
DC-DC电感靠近ADC输入；
运放反馈回路过长；
高阻抗节点面积过大。

布局建议

ADC输入走线尽量短；
远离高频时钟、PWM和开关节点；
模拟输入周围保持干净；
去耦电容靠近ADC供电和参考引脚；
避免大电流回流穿过模拟区域；
高阻抗输入节点尽量缩小；
必要时使用完整地平面和合理分区。

9. 模拟输入超过允许范围

ADC输入电压通常必须位于规定范围内，例如：

VSSA ≤ VIN ≤ VDDA

具体范围需要查看芯片数据手册。

如果输入超过范围，可能出现：

ADC读数满量程；
相邻通道受到影响；
内部保护二极管导通；
向模拟电源注入电流；
采样结果异常；
严重时损坏芯片。

不要认为增加一个串联电阻就一定安全。

还要检查：

最大注入电流；
输入钳位结构；
输入负压；
上电时序；
外部信号在MCU掉电时是否仍然存在。

10. 传感器自身不稳定

ADC只是采集工具，输入源本身也可能波动。

例如：

热敏电阻受气流影响；
压力传感器电源不稳定；
电流传感器零点漂移；
光敏电阻受环境光变化；
电位器接触不良；
长线传感器受到工频干扰；
电桥输出受温度影响。

排查时需要同时测量：

ADC引脚真实电压

不能只看软件打印值。

建议使用：

高精度万用表；
示波器；
稳定直流源；
示波器统计功能。

六、多通道ADC为什么会互相影响

STM32等MCU通常使用一个ADC转换核心，通过模拟多路复用器依次连接不同通道。

例如：

通道1：3.0V
通道2：0.2V
通道3：1.5V

如果通道1刚刚采样了3.0V，内部采样电容中还保存着较高电压。

紧接着切换到高阻抗的通道2，采样时间又很短，内部电容可能无法及时从3.0V放电到0.2V。

结果就可能出现：

通道2第一次采样值偏高；
第二次或第三次采样才恢复正常。

解决方法

方法一：增加采样时间

这是最直接的方法。

方法二：降低信号源阻抗

通过降低分压电阻或者增加运放缓冲。

方法三：切换通道后丢弃第一次结果

例如：

ADC_SelectChannel(channel);

ADC_ReadOnce();        /* 丢弃第一次 */

value = ADC_ReadOnce();

但这只是工程补偿方法，不能代替合理的模拟前端设计。

方法四：调整通道扫描顺序

可以尽量让相邻通道电压接近，或者将高阻抗通道安排在更有利的位置。

方法五：增加通道间隔时间

使用定时器触发或者软件延时，为信号稳定留出时间。

七、ADC结果不稳定的软件原因

1. ADC时钟设置过高

ADC时钟通常存在最大允许频率。

如果ADC时钟超过数据手册规定范围，可能导致：

转换误差增大；
数据不稳定；
校准异常；
某些温度或电压条件下失效。

需要检查：

系统时钟
  ↓
APB时钟
  ↓
ADC时钟源
  ↓
ADC分频器
  ↓
实际ADC时钟

不能只看主频，也不能直接认为ADC时钟等于CPU时钟。

2. 采样时间配置不合理

以STM32 HAL库为例：

ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_5;
sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_2CYCLES_5;

如果输入阻抗较大，2.5 cycles可能太短。

可以逐步增加：

sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_19CYCLES_5;

或者：

sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_47CYCLES_5;

再比较采样结果。

不同STM32系列的采样周期枚举值不同，以上名称仅用于说明思路。

3. 没有执行ADC校准

部分STM32系列支持ADC偏置校准。

例如某些系列可以使用：

if (HAL_ADCEx_Calibration_Start(
        &hadc1,
        ADC_SINGLE_ENDED) != HAL_OK)
{
    Error_Handler();
}

部分旧系列的HAL函数可能是：

HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);

不同芯片系列的校准流程和函数参数并不相同，必须查阅对应HAL驱动和参考手册。

ST 的ADC资料指出，部分STM32 ADC具有自动校准或偏置校准机制，可以用于减小ADC内部偏置误差。

推荐顺序：

ADC初始化
   ↓
执行校准
   ↓
等待校准完成
   ↓
启动ADC转换

4. 读取时序错误

轮询方式读取ADC时，应等待转换完成。

uint32_t ADC_ReadOnce(void)
{
    uint32_t value;

    if (HAL_ADC_Start(&hadc1) != HAL_OK)
    {
        return 0;
    }

    if (HAL_ADC_PollForConversion(
            &hadc1,
            10) != HAL_OK)
    {
        HAL_ADC_Stop(&hadc1);
        return 0;
    }

    value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

    HAL_ADC_Stop(&hadc1);

    return value;
}

常见错误包括：

ADC还没转换完成就读取数据寄存器；
启动失败后仍然读取旧数据；
超时后没有处理错误；
连续模式和单次模式理解错误；
EOC标志配置不正确；
过载后数据被覆盖。

5. ADC通道配置错误

需要检查：

ADC实例是否正确；
通道号是否正确；
GPIO是否配置为模拟模式；
Rank顺序是否正确；
扫描通道数量是否正确；
DMA缓冲区长度是否匹配；
引脚复用和封装是否对应；
内部通道是否完成启动时间等待。

如果引脚没有设置为模拟模式，数字输入结构可能增加功耗或者引入干扰。

6. DMA数据对应关系错误

多通道DMA采集时，数据通常按照Rank顺序写入数组。

例如：

uint16_t adc_buffer[3];

配置顺序：

Rank 1：ADC_CHANNEL_1
Rank 2：ADC_CHANNEL_5
Rank 3：ADC_CHANNEL_8

那么缓冲区通常对应：

adc_buffer[0] → CHANNEL_1
adc_buffer[1] → CHANNEL_5
adc_buffer[2] → CHANNEL_8

如果软件误以为：

adc_buffer[0] → CHANNEL_5

就会出现“ADC数据乱跳”的假象。

实际并不是采样不稳定，而是通道映射错误。

7. DMA缓冲区类型或长度错误

例如ADC配置为半字传输，但缓冲区错误地使用了8位类型：

uint8_t adc_buffer[8];

更合理的是：

uint16_t adc_buffer[8];

还需要检查：

DMA数据宽度；
内存数据宽度；
循环模式；
缓冲区长度；
数据对齐；
半传输和全传输回调。

8. Cache一致性问题

在带数据缓存的Cortex-M7等平台中，DMA直接写入内存后，CPU可能仍然读取Cache中的旧数据。

此时可能表现为：

DMA数据似乎不更新；
数据间歇性变化；
调试器看到的值与程序读取值不一致；
修改优化等级后现象改变。

需要根据平台处理：

Cache失效；
Cache清理；
DMA缓冲区对齐；
将DMA缓冲区放入非Cache区域；
配置MPU属性。

这个问题主要出现在带D-Cache的MCU，不适用于所有STM32型号。

9. 整数计算溢出

例如计算平均值：

uint16_t sum = 0;

for (int i = 0; i < 100; i++)
{
    sum += adc_buffer[i];
}

12位ADC最大值为4095。

100个最大值相加：

4095 × 100 = 409500

已经超过16位无符号整数最大值65535。

结果会发生溢出，平均值当然错误。

应该使用：

uint32_t sum = 0;

如果采样数量更多，甚至需要使用：

uint64_t sum = 0;

10. 电压换算公式错误

12位ADC常见换算方式为：

voltage = adc_value * vref / 4095.0f;

常见错误包括：

voltage = adc_value / 4095 * 3.3f;

如果 adc_value 和 4095 都是整数，整数除法会先执行。

例如：

2048 / 4095 = 0

最终结果会变成0。

应改为：

voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4095.0f;

或者使用整数毫伏计算：

uint32_t voltage_mv;

voltage_mv = adc_value * 3300UL / 4095UL;

11. 参考电压写死为3.3V

下面的代码并不一定准确：

voltage = adc_value * 3.3f / 4095.0f;

因为实际VDDA可能是：

3.27V
3.31V
3.24V

如果对精度有要求，应使用实际测量值或者VREFINT补偿。

12. 采样频率选择不合理

采样频率太低，可能导致：

快速信号丢失；
混叠；
波形失真；
偶发采到尖峰。

采样频率过高，也可能导致：

输入电路没有足够建立时间；
高阻抗信号采样误差增大；
CPU负担增加；
DMA数据量过大；
电源噪声增加。

采样频率应根据：

信号带宽；
输入阻抗；
ADC转换速度；
滤波器截止频率；
系统处理能力；

综合确定。

13. 采样时刻不固定

如果软件在主循环中直接读取ADC：

while (1)
{
    value = ADC_ReadOnce();

    DoSomething();
}

由于其他任务耗时不固定，ADC采样间隔也会变化。

对于周期信号，这可能造成采样值看起来非常混乱。

更可靠的方法是：

定时器产生固定触发
          ↓
ADC开始采样
          ↓
DMA保存结果

这样采样周期更加稳定。

八、ADC滤波是不是采样越多越好

不是。

增加采样数量虽然可以减小部分随机噪声，但会带来：

响应速度下降；
CPU占用增加；
延迟增大；
瞬态变化被削弱；
无法消除系统误差；
无法解决参考电压漂移。

滤波之前必须先判断噪声类型。

九、常用ADC数字滤波方法

1. 限幅滤波

如果新数据与上一次数据相差过大，可以先认为它可能是异常值。

uint16_t ADC_LimitFilter(
    uint16_t new_value,
    uint16_t old_value,
    uint16_t threshold)
{
    uint16_t difference;

    if (new_value > old_value)
    {
        difference = new_value - old_value;
    }
    else
    {
        difference = old_value - new_value;
    }

    if (difference > threshold)
    {
        return old_value;
    }

    return new_value;
}

适合：

缓慢变化信号；
偶发尖峰噪声；
温度和电池电压。

不适合：

本身变化很快的信号；
电流突变检测；
快速控制系统。

2. 算术平均滤波

连续采样N次后求平均值：

uint16_t ADC_AverageFilter(uint16_t sample_count)
{
    uint32_t sum = 0;

    if (sample_count == 0)
    {
        return 0;
    }

    for (uint16_t i = 0; i < sample_count; i++)
    {
        sum += ADC_ReadOnce();
    }

    return (uint16_t)(sum / sample_count);
}

优点：

实现简单；
可以减小随机噪声；
适合直流和缓慢信号。

缺点：

采样次数越多，响应越慢；
无法有效处理大幅异常值；
无法消除系统误差。

3. 去极值平均滤波

先采集多个数据，去掉最大值和最小值，再计算平均。

uint16_t ADC_TrimmedMeanFilter(uint16_t sample_count)
{
    uint32_t sum = 0;
    uint16_t value;
    uint16_t max_value = 0;
    uint16_t min_value = 0xFFFF;

    if (sample_count < 3)
    {
        return ADC_ReadOnce();
    }

    for (uint16_t i = 0; i < sample_count; i++)
    {
        value = ADC_ReadOnce();

        sum += value;

        if (value > max_value)
        {
            max_value = value;
        }

        if (value < min_value)
        {
            min_value = value;
        }
    }

    sum -= max_value;
    sum -= min_value;

    return (uint16_t)(sum / (sample_count - 2));
}

适合存在偶发尖峰的场景。

4. 中值滤波

将采样数据排序，取中间值。

例如：

原始数据：
1000、1002、1001、3000、999

排序后：
999、1000、1001、1002、3000

中值：
1001

中值滤波对脉冲型异常值非常有效。

uint16_t ADC_Median5(
    uint16_t a,
    uint16_t b,
    uint16_t c,
    uint16_t d,
    uint16_t e)
{
    uint16_t data[5] = {a, b, c, d, e};

    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++)
    {
        for (uint8_t j = 0; j < 4 - i; j++)
        {
            if (data[j] > data[j + 1])
            {
                uint16_t temp = data[j];

                data[j] = data[j + 1];
                data[j + 1] = temp;
            }
        }
    }

    return data[2];
}

5. 滑动平均滤波

滑动平均不是每次重新采集N个数据，而是保存最近N个样本。

新数据进入时，最旧数据移出。

#define ADC_WINDOW_SIZE 16

typedef struct
{
    uint16_t buffer[ADC_WINDOW_SIZE];
    uint32_t sum;
    uint16_t index;
    uint8_t initialized;
} ADC_MovingAverage_t;

uint16_t ADC_MovingAverageUpdate(
    ADC_MovingAverage_t *filter,
    uint16_t new_value)
{
    if (filter == NULL)
    {
        return new_value;
    }

    if (filter->initialized == 0)
    {
        for (uint16_t i = 0; i < ADC_WINDOW_SIZE; i++)
        {
            filter->buffer[i] = new_value;
        }

        filter->sum =
            (uint32_t)new_value * ADC_WINDOW_SIZE;

        filter->index = 0;
        filter->initialized = 1;
    }

    filter->sum -= filter->buffer[filter->index];

    filter->buffer[filter->index] = new_value;

    filter->sum += new_value;

    filter->index++;

    if (filter->index >= ADC_WINDOW_SIZE)
    {
        filter->index = 0;
    }

    return (uint16_t)(
        filter->sum / ADC_WINDOW_SIZE
    );
}

优点：

计算效率较高；
适合连续采样；
波动比较平滑。

缺点：

存在窗口延迟；
窗口越大，响应越慢。

6. 一阶IIR低通滤波

一阶低通滤波常用公式为：

Y(k) = Y(k-1) + α × [X(k) - Y(k-1)]

其中：

X(k)：当前原始采样值
Y(k)：当前滤波结果
Y(k-1)：上一次滤波结果
α：滤波系数，范围通常为0～1

例如：

float ADC_IIRFilter(
    float input,
    float alpha)
{
    static float output = 0.0f;
    static uint8_t initialized = 0;

    if (alpha < 0.0f)
    {
        alpha = 0.0f;
    }

    if (alpha > 1.0f)
    {
        alpha = 1.0f;
    }

    if (initialized == 0)
    {
        output = input;
        initialized = 1;
    }

    output += alpha * (input - output);

    return output;
}

参数规律：

α越大：
响应越快，滤波越弱。

α越小：
响应越慢，滤波越强。

十、过采样能提高ADC分辨率吗

在满足条件时，过采样和抽取可以改善信噪比，并可能提高有效分辨率。

基本流程是：

以更高频率采样
      ↓
累加多个结果
      ↓
平均或右移
      ↓
降低输出数据率

例如进行16倍过采样：

连续采样16次
     ↓
累加
     ↓
除以16

部分STM32型号带有硬件过采样模块，可以自动完成累加和移位，减少CPU参与。ST的资料同时介绍了硬件和软件过采样方法，主要用于改善信噪比和有效分辨率。

但过采样不是万能的。

它通常要求噪声具有一定随机性。如果输入和参考完全固定、结果始终停留在同一个ADC代码上，简单重复采样并不会凭空产生额外信息。

过采样还会降低最终输出数据率：

采样率越高
     ↓
累加数量越多
     ↓
输出更新速度越慢

十一、STM32 ADC稳定采集示例

下面以单通道轮询采集为例。

1. ADC初始化后进行校准

void ADC_ApplicationInit(void)
{
    MX_ADC1_Init();

    /*
     * 注意：
     * 不同STM32系列的校准函数参数不同。
     * 请根据对应HAL库修改。
     */
    if (HAL_ADCEx_Calibration_Start(
            &hadc1,
            ADC_SINGLE_ENDED) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

2. 单次读取函数

HAL_StatusTypeDef ADC_ReadRaw(
    ADC_HandleTypeDef *hadc,
    uint32_t *value)
{
    HAL_StatusTypeDef status;

    if ((hadc == NULL) || (value == NULL))
    {
        return HAL_ERROR;
    }

    status = HAL_ADC_Start(hadc);

    if (status != HAL_OK)
    {
        return status;
    }

    status = HAL_ADC_PollForConversion(
        hadc,
        10);

    if (status != HAL_OK)
    {
        HAL_ADC_Stop(hadc);
        return status;
    }

    *value = HAL_ADC_GetValue(hadc);

    return HAL_ADC_Stop(hadc);
}

3. 32次去极值平均

#define ADC_SAMPLE_COUNT 32U

HAL_StatusTypeDef ADC_ReadFiltered(
    ADC_HandleTypeDef *hadc,
    uint16_t *filtered_value)
{
    uint32_t sum = 0;
    uint32_t value;
    uint32_t max_value = 0;
    uint32_t min_value = 0xFFFFFFFFUL;

    if ((hadc == NULL) ||
        (filtered_value == NULL))
    {
        return HAL_ERROR;
    }

    for (uint32_t i = 0;
         i < ADC_SAMPLE_COUNT;
         i++)
    {
        if (ADC_ReadRaw(hadc, &value) != HAL_OK)
        {
            return HAL_ERROR;
        }

        sum += value;

        if (value > max_value)
        {
            max_value = value;
        }

        if (value < min_value)
        {
            min_value = value;
        }
    }

    sum -= max_value;
    sum -= min_value;

    *filtered_value = (uint16_t)(
        sum / (ADC_SAMPLE_COUNT - 2U)
    );

    return HAL_OK;
}

4. 换算为毫伏

uint32_t ADC_CodeToMillivolt(
    uint16_t adc_code,
    uint32_t vref_mv,
    uint8_t resolution_bits)
{
    uint32_t full_scale;

    if ((resolution_bits == 0U) ||
        (resolution_bits >= 31U))
    {
        return 0U;
    }

    full_scale =
        (1UL << resolution_bits) - 1UL;

    return (
        (uint32_t)adc_code * vref_mv
    ) / full_scale;
}

调用示例：

uint16_t adc_value;
uint32_t voltage_mv;

if (ADC_ReadFiltered(
        &hadc1,
        &adc_value) == HAL_OK)
{
    voltage_mv = ADC_CodeToMillivolt(
        adc_value,
        3300U,
        12U);
}

十二、如何利用VREFINT补偿参考电压

部分STM32内部带有参考电压通道VREFINT，并在系统存储区保存出厂校准值。

基本思路是：

已知内部参考电压比较稳定
          ↓
使用ADC测量VREFINT
          ↓
根据VREFINT ADC结果估算实际VDDA
          ↓
用实际VDDA换算其他通道

概念公式可以写为：

VDDA实际值
≈ 校准时VDDA × VREFINT_CAL / VREFINT_ADC

不同STM32系列的：

校准电压；
校准数据地址；
计算宏；
温度条件；

可能不同。

必须使用该芯片数据手册提供的公式和校准常量，不能直接套用其他型号代码。

十三、典型现象与原因对照表

ADC现象	可能原因
上下波动1～3个码	量化误差、正常底噪
随机跳动几十个码	电源噪声、输入悬空、布局干扰
周期性波动	PWM、电机、DC-DC或工频干扰
数值稳定但整体偏高	VREF估计错误、增益误差
数值稳定但整体偏低	采样时间不足、输入阻抗过大
切换通道后第一笔异常	采样电容残留、通道串扰
读数缓慢漂移	温度、参考源或传感器漂移
经常读取0	引脚接地、通道错误、读取失败
经常读取满量程	输入超范围、引脚开路或配置错误
DMA数据顺序混乱	Rank、缓冲区和DMA长度不匹配
电机启动后异常	电源跌落、地弹、EMI干扰
降低采样率后变准	输入阻抗过大、建立时间不足
增加采样时间后变准	内部采样电容未充分充电
平均值正常但瞬时值很乱	高频噪声或缺少滤波
万用表正常、ADC异常	万用表带宽低，可能看不到高频噪声

十四、ADC完整排查流程

遇到ADC不稳定时，可以按照以下顺序排查。

第一步：使用稳定电压源替代传感器

先不要直接测试复杂传感器。

可以使用：

稳压电源；
精密基准；
电池；
电位器；
DAC输出。

观察ADC是否仍然波动。

第二步：测量ADC引脚真实波形

使用示波器测量：

ADC引脚对模拟地的电压

重点查看：

平均电压；
纹波大小；
高频尖峰；
PWM同步噪声；
50Hz或60Hz干扰；
电机启停瞬态。

第三步：检查参考电压

测量：

VDDA
VREF+
VSSA

观察负载变化时是否波动。

第四步：检查输入阻抗

计算信号源等效输出阻抗。

对于电阻分压器：

ROUT = R1 || R2

即：

ROUT = R1 × R2 / (R1 + R2)

如果阻抗较大：

增加采样时间；
降低分压电阻；
增加输入电容；
增加运放缓冲。

第五步：增加采样时间

将ADC采样周期逐步增加。

如果采样时间越长，结果越准确，通常说明：

信号源阻抗过大
或者
输入建立时间不足

第六步：降低ADC时钟

检查ADC时钟是否超过芯片规格，并适当降低ADC时钟进行对比测试。

第七步：执行ADC校准

如果芯片支持校准，应按照参考手册执行。

第八步：只保留一个ADC通道

暂时关闭多通道扫描和DMA，只测试一个通道。

如果单通道正常、多通道异常，重点检查：

通道Rank；
采样时间；
通道切换残留；
DMA顺序；
缓冲区长度。

第九步：取消数字滤波看原始数据

先打印原始ADC结果。

不要一开始就使用复杂滤波，否则可能掩盖问题。

建议同时打印：

最小值
最大值
平均值
峰峰值

例如：

printf(
    "ADC min=%lu max=%lu avg=%lu pp=%lu\r\n",
    min_value,
    max_value,
    average,
    max_value - min_value);

第十步：最后再设计数字滤波

确认硬件和ADC配置正确后，再根据应用选择：

平均滤波；
滑动平均；
中值滤波；
限幅滤波；
IIR低通；
过采样；
卡尔曼滤波。

十五、一个实用的ADC稳定性测试程序

下面程序连续采集一组数据，并统计最小值、最大值、平均值和峰峰值。

typedef struct
{
    uint32_t minimum;
    uint32_t maximum;
    uint32_t average;
    uint32_t peak_to_peak;
} ADC_Statistics_t;

HAL_StatusTypeDef ADC_GetStatistics(
    ADC_HandleTypeDef *hadc,
    uint32_t sample_count,
    ADC_Statistics_t *statistics)
{
    uint64_t sum = 0;
    uint32_t value;
    uint32_t minimum = 0xFFFFFFFFUL;
    uint32_t maximum = 0;

    if ((hadc == NULL) ||
        (statistics == NULL) ||
        (sample_count == 0U))
    {
        return HAL_ERROR;
    }

    for (uint32_t i = 0;
         i < sample_count;
         i++)
    {
        if (ADC_ReadRaw(hadc, &value) != HAL_OK)
        {
            return HAL_ERROR;
        }

        sum += value;

        if (value < minimum)
        {
            minimum = value;
        }

        if (value > maximum)
        {
            maximum = value;
        }
    }

    statistics->minimum = minimum;
    statistics->maximum = maximum;

    statistics->average =
        (uint32_t)(sum / sample_count);

    statistics->peak_to_peak =
        maximum - minimum;

    return HAL_OK;
}

调用：

ADC_Statistics_t adc_stats;

if (ADC_GetStatistics(
        &hadc1,
        1000U,
        &adc_stats) == HAL_OK)
{
    printf(
        "min=%lu, max=%lu, avg=%lu, pp=%lu\r\n",
        adc_stats.minimum,
        adc_stats.maximum,
        adc_stats.average,
        adc_stats.peak_to_peak);
}

这个程序比只观察单个ADC值更加有意义。

例如：

min = 2045
max = 2050
avg = 2048
pp  = 5

说明平均值比较稳定，峰峰波动约5个ADC码。

如果结果是：

min = 1800
max = 2300
avg = 2040
pp  = 500

则说明存在明显干扰，不能仅依靠平均滤波处理。

十六、常见错误做法

错误一：无限增加平均次数

平均1000次虽然可能很稳定，但系统响应可能已经无法满足要求。

错误二：看到波动就认为ADC坏了

几个LSB的轻微波动可能是正常现象。

错误三：只看万用表，不看示波器

万用表显示的是低带宽平均结果，可能看不到高频纹波和尖峰。

错误四：默认参考电压一定是3.3V

ADC结果与VREF直接相关，参考电压必须测量或补偿。

错误五：高阻分压后直接接ADC

必须检查输出阻抗与采样时间是否匹配。

错误六：滤波解决所有问题

数字滤波不能修复：

输入超范围；
VREF错误；
采样时间不足；
通道映射错误；
ADC时钟超限；
PCB布局问题。

错误七：所有通道都使用最短采样时间

不同信号源阻抗可能不同，需要分别配置合理采样时间。

十七、工程中如何设计一个稳定ADC采集系统

一个比较完整的ADC采集设计应该包含：

传感器或模拟输入
        ↓
输入保护
        ↓
分压或放大
        ↓
RC低通滤波
        ↓
运放缓冲（可选）
        ↓
ADC输入
        ↓
稳定参考电压
        ↓
定时器固定触发
        ↓
DMA连续采集
        ↓
异常值处理
        ↓
数字低通滤波
        ↓
校准和单位换算

设计时需要同时考虑：

输入电压范围；
输入阻抗；
信号带宽；
采样频率；
分辨率；
参考电压；
噪声水平；
响应速度；
PCB布局；
温度漂移；
校准方式。

十八、面试中如何回答ADC结果不稳定

如果面试官问：

ADC采集结果为什么不稳定，应该怎么排查？

可以这样回答：

ADC结果不稳定需要从硬件和软件两个方面排查。

硬件方面首先检查参考电压和模拟电源是否稳定，
然后检查ADC输入是否悬空、信号源输出阻抗是否过大、
采样引脚是否存在高频干扰，以及PCB模拟地和数字地的回流是否合理。

由于MCU内部ADC通常包含采样保持电容，
如果输入阻抗过大或者采样时间太短，
采样电容无法充分充电，也会造成测量误差。

软件方面需要检查ADC时钟、采样时间、通道Rank、
校准流程、转换完成标志、DMA缓冲区和电压换算公式。

确认硬件和配置正确后，
再根据应用使用平均滤波、中值滤波、滑动平均、
IIR低通或过采样提高稳定性。

十九、总结

ADC采集结果不稳定，不一定是ADC外设本身损坏。

常见硬件原因包括：

参考电压不稳定；
ADC输入悬空；
信号源阻抗过大；
采样时间不足；
缺少模拟滤波；
电源和地线干扰；
PCB布局不合理；
输入电压超范围；
多通道之间相互串扰。

常见软件原因包括：

ADC时钟配置错误；
采样周期太短；
没有执行ADC校准；
读取时序不正确；
通道Rank和DMA顺序错误；
缓冲区数据类型错误；
整数计算溢出；
参考电压写死；
采样频率不合理；
数字滤波方法不合适。

排查ADC问题时，应按照以下顺序进行：

先检查真实模拟电压
        ↓
再检查参考电压和硬件电路
        ↓
再检查ADC时钟、采样时间和校准
        ↓
再检查DMA、通道和计算公式
        ↓
最后才增加数字滤波

最后用一句话总结：

ADC稳定采集不是单纯增加平均次数，而是要让信号源、参考电压、采样时间、模拟前端、软件配置和数字滤波共同满足系统要求。

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