本文是一篇系统的 ADC（模数转换器）学习笔记：前半部分讲透 ADC 的基本原理（采样/保持/量化/编码、各种架构对比），后半部分以 STM32 为例，从模块框图、转换流程一路讲到 CubeMX + HAL 库的四个实战（轮询 → DMA 多通道 → 定时器触发 → 内部传感器校准），最后附精度优化和避坑指南。

适合：单片机/嵌入式入门同学、准备笔试面试需要快速过一遍知识点的同学。

阅读路线

  • 赶时间直接上手 → 看 第六章 实战；

  • 面试/考试抱佛脚 → 看 第九章 速查表；

  • 想真正理解 → 从头读，重点看第三、四章。

一、ADC 是什么：模拟世界与数字世界的桥梁

我们生活的物理世界本质上是模拟的：温度、光照、声音、压力、电池电压……这些量在时间和幅值上都是连续变化的。而单片机（CPU）只认识 0 和 1 组成的离散数字信号。

ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）就是这两者之间的桥梁：每隔一段时间取一次模拟电压的"快照"，并把它换算成一个整数，交给 CPU 处理。

举几个日常例子感受一下 ADC 无处不在：

应用场景 被测模拟量 典型需求
数字万用表 电压、电流 高精度、低速
温控器 NTC 热敏电阻分压 中低速、稳定
麦克风采集 音频信号 44.1kHz 等固定采样率
无人机 IMU 陀螺仪/加速度模拟输出 高速、实时
电池电量显示 锂电池电压 3.0~4.2V 低速、低功耗

💡 一句话总结：ADC 负责"量"，CPU 负责"算"。 单片机片内集成的 ADC（如 STM32 的 12 位 ADC）能覆盖 80% 的中低速应用；要求更高精度或更快速度时，才需要外挂专用 ADC 芯片（如 ADS1115、AD7606）。

二、ADC 的四步曲：采样 → 保持 → 量化 → 编码

任何一本教材里，ADC 的转换过程都可以拆成四个阶段。理解这四步，后面所有概念都迎刃而解。

2.1 采样（Sampling）与奈奎斯特定理

采样，就是每隔固定时间 Ts（采样周期）读取一次信号的瞬时值，采样率 fs = 1/Ts。

这步有一个黄金定律——奈奎斯特采样定理：

fs ≥ 2 × fmax（采样率必须大于信号最高频率的 2 倍），否则会发生混叠（Aliasing）：高频信号会被错误地"折叠"成一个不存在的低频信号。

图中可以看到：fs 不足时，采样点"看上去"属于另一路假信号，而且事后用任何软件手段都无法还原。所以工程上的做法是：ADC 前端加一个低通滤波器（抗混叠滤波），把高频成分先滤掉。

2.2 保持（Hold）

采样只是一瞬间的事，转换需要时间。采样保持电路（S/H）用一个电容把采样瞬间的电压"冻住"（保持为阶梯状），让 ADC 在这段平坦期内慢慢完成量化。STM32 内部就集成了 S/H 电路，我们能配置的"采样时间"长短，说的就是这段给采样电容充电的时间（第四章细讲）。

2.3 量化（Quantization）与分辨率

保持下来的电压值有无穷多种可能，但输出的数字是有限的——必须"四舍五入"到最近的台阶上，这就是量化。

这里引出 ADC 最重要的参数——分辨率 N（位数）：把满量程电压 Vref 划分成 2^N 份：

1 LSB = Vref / 2^N

  • 1 LSB 就是 ADC 能分辨的最小电压差；

  • 例：12 位 ADC、参考电压 3.3V → 1 LSB = 3.3 / 4096 ≈ 0.81 mV；

  • 任何时候量化误差都不超过 ±1/2 LSB（理想情况）；

  • 理论极限信噪比：SNR ≈ 6.02 × N + 1.76 (dB)，12 位约 74 dB。每多 1 位分辨率，SNR 提升约 6 dB。

📌 拿到 ADC 读数怎么算回电压？ 最常用的一个公式：

电压 Vin = ADC原始值 × Vref / 4095      （12 位、右对齐）

注意除以 4095 还是 4096 的争论：严格地说输出码 4095 对应"接近 Vref"，工程上两种写法差异不到 0.03%，CSDN 上两种都能见到，统一即可，不必纠结。

2.4 编码（Encoding）

把量化后的台阶编号写成二进制输出，12 位 ADC 就输出 0 ~ 4095（0x000 ~ 0xFFF）。至此，一个模拟电压变成了一个 CPU 能读的数字。

三、常见 ADC 架构：原理与选型

ADC 的实现方案有很多种，本质上就是在"速度、精度、成本、功耗"之间做不同的取舍。重点理解 SAR 和 Σ-Δ 两种。

3.1 SAR 逐次逼近型（重点！MCU 内置 ADC 几乎都是它）

结构：输入 → 采样保持 → 比较器 ↔ SAR 逻辑 ↔ 内部 DAC → 输出码。

工作方式像用天平二分称量：从最高位（MSB）开始，每个时钟节拍试探一位：

  1. 先猜一半：输出码设为 100..0，DAC 给出 Vref/2；

  2. 比较器判断 Vin 和 DAC 谁大：Vin 大 → 这一位留 1，否则清 0；

  3. 把已确定的位锁存，继续试探下一位；

  4. N 位 ADC 需要 N 个节拍，逐位逼近出完整结果。

下面这张 4 位 ADC 的例子（Vref=5V，Vin=3.0V）把过程画得很清楚——最终输出 1001：

特点：中高速、低延迟、低功耗、成本低，分辨率和速度互相制约（位数越多节拍越多）。STM32、MSP430、AVR 等单片机内置的 ADC 基本都是 SAR。

3.2 Σ-Δ 型（高精度之王）

思路完全不同：先求和（Σ积分）再取差分（Δ），用远高于信号带宽的频率过采样，把量化噪声"推"到高频段，再用数字滤波器滤掉高频噪声并抽取数据。模拟部分极其简单，复杂的是数字滤波。

特点：分辨率轻松做到 24 位甚至 32 位、超高精度、抗混叠能力强；代价是速度慢（几 SPS ~ 几百 kSPS）、有滤波器延迟。典型应用：电子秤、温度计、心电图等精密慢速测量（如 ADS1115、HX711 都是这类外置 ADC）。

3.3 其他常见架构（了解即可）

架构 原理一句话 分辨率 速度 典型应用
Flash 并行比较 2^N−1 个比较器同时比较，一次出结果 低（4~10位） 最快（GSPS 级） 示波器、高速采集
流水线 Pipeline 多级 Flash 级联，每级算几位再拼起来 8~16 位 很快（MSPS~GSPS） 通信、视频采集卡
SAR 逐次逼近 二分搜索，一拍一位 8~18 位 中高速 MCU 内置、数据采集
Σ-Δ 过采样 + 噪声整形 + 数字滤波 最高（16~32位） 慢 精密测量、音频编解码
双积分 先对信号定时积分，再对基准反向积分计时 16~24 位 最慢（几 SPS） 数字万用表

选型思路：要快 → Flash/流水线；要高精度慢信号 → Σ-Δ；速度精度均衡 + 集成在单片机里白用 → SAR。本文后面的实战全部围绕单片机内置的 SAR ADC。

四、STM32 ADC 深度解析：架构与转换流程

铺垫结束，进入实战部分的主角——STM32 片上 ADC。以最经典的 STM32F103（12 位 SAR ADC）为例讲解，F4/G4/H7 等系列原理完全相通，只是时钟上限、分辨率位数等参数不同。

4.1 特性速览

  • 12 位逐次逼近型 ADC，读数范围 0 ~ 4095；

  • 最多 18 个通道：16 个外部通道 + 内部温度传感器 + Vrefint 内部基准；

  • ADCCLK 最高 14MHz，最快转换 1µs（1 Msps）；

  • 支持规则组（16 通道序列）和注入组（4 通道，可插队优先转换）；

  • 单次/连续/扫描/间断多种转换模式，软件/定时器/外部引脚多种触发；

  • 结果可左/右对齐存入 16 位寄存器；支持 DMA、多个中断和模拟看门狗。

4.2 总体框图：一张图看懂数据走向

跟着这张图从左到右走一遍：模拟信号从 GPIO（需配置为模拟输入模式）进来 → 多路开关选定本次转换的通道 → 按规则组/注入组的队列安排进入转换核心 → SAR 在 ADCCLK 驱动下逐位逼近 → 结果写入 DR / JDR 数据寄存器 → 触发 EOC 中断或 DMA 请求把数搬走。期间触发源决定"什么时候开始转"，模拟看门狗则充当电压越界的"报警器"。

4.3 时钟（ADCCLK）：越快不一定越好

ADCCLK 由 APB2 总线时钟（PCLK2，F103 最大 72MHz）分频得到，分频系数只能选 /2 /4 /6 /8，并且有个硬性上限：

⚠️ F1 系列 ADCCLK ≤ 14MHz。72MHz 主频下常用 72/6=12MHz；如果系统时钟比较低（如 48MHz），直接选 /4=12MHz 或更低即可。其他系列上限不同，如 F4 可到 36MHz，G4/H7 更高，原则一样：按手册不超过上限。

很多人问"为什么不直接拉到 14MHz？"——ADCCLK 越快转换越快，但采样电容需要足够时间充满，信号源阻抗大时盲目拉高时钟反而降低精度。所以时钟和采样时间要配合着调（4.7 节讲计算）。

4.4 输入通道

  • 外部通道 ADC_IN0 ~ IN15：连接到具体 GPIO，CubeMX 里点选引脚的 ADCx_INy 复用功能即可，该引脚自动设为模拟模式（无上下拉，直达 ADC）；

  • 内部温度传感器：占用 ADC1 的通道 16（IN16），要测芯片/环境温度不用外围器件；

  • Vrefint 内部基准：通道 17（IN17），出厂电压约 1.20V，常用来反推 VDDA 实际值以校准读数（实战四详解）。

4.5 规则组 vs 注入组：普通队列与 VIP 通道

  • 规则组（Regular）：日常使用的主力，最多 16 个通道排成一条转换序列，按 Rank1→Rank16 顺序依次转换；

  • 注入组（Injected）：最多 4 个通道的"高优先级小队"，可以打断正在进行的规则组转换，转完再把规则组"续上"——典型用法是电机控制里，PWM 波形特定点触发电流采样这类"一刻也不能晚"的任务。

入门阶段只用规则组即可，知道注入组是"插队"的就够了。

4.6 四种转换模式：搞清楚这节很重要

模式由 连续开关（CONT） 和 扫描开关（SCAN） 组合出来的：

组合 行为 典型场景
单次转换 触发一次，转一个通道一次然后停 按键采样、偶尔读一次电量
连续转换 对同一通道不停重复转换 实时监控单一模拟量
扫描模式 一次触发，把规则组所有通道按序扫一遍 一次采集多路传感器（必须配 DMA）
扫描 + 连续 多通道一轮接一轮循环扫 最常用的多路采集方式

⚠️ 一个经典坑：扫描模式下每个通道转换完都想往同一个 DR 寄存器里写，后面的数据会覆盖前面的，用轮询只能读到最后一个通道的值。所以多通道扫描几乎一定要配 DMA，每个通道 EOC 时 DMA 立刻把数据搬到数组对应位置。

4.7 转换时间怎么算（面试高频）

STM32（F1）的一次转换时间：

Tconv = 采样时间 + 12.5 个 ADCCLK 周期

  • "采样时间"可以在 1.5 / 7.5 / 13.5 / 28.5 / 41.5 / 55.5 / 71.5 / 239.5 周期中选；

  • "12.5"是 12 位逐位比较 + 收尾固定的开销。

算例 1：ADCCLK=12MHz（72/6），采样时间 55.5 周期 → Tconv = (55.5+12.5)/12MHz ≈ 5.67µs，即该通道每秒最多转约 176k 次。

算例 2：采样时间选最短的 1.5 周期、ADCCLK 拉满 14MHz → Tconv = 14/14MHz = 1µs = 1 Msps，这就是"STM32 ADC 最高 1M 采样率"的出处。

📌 采样时间的选择原则：信号源阻抗越高，采样时间要越长，因为内部采样电容要在这段时间里被充到足够接近真实电压。电位器/运放输出等低阻源可以用短采样时间；分压电阻大、NTC 这类高阻源要拉长采样时间（实在不行在引脚加运放缓冲）。

4.8 数据对齐

12 位结果存放在 16 位的 DR 寄存器里：

  • 右对齐（强烈推荐）：高 4 位补 0，读出来直接就是 0~4095；

  • 左对齐：把结果顶到高位，取高 8 位 ≈ 直接得到 8 位精度——极少数想省事降精度的场景用。

4.9 中断、DMA 与模拟看门狗

  • EOC 中断：规则组一次转换完成；JEOC：注入组完成；

  • DMA 请求：每通道 EOC 时都可产生，多通道/连续采集的标配；

  • 模拟看门狗（AWD）：设定上/下两个阈值电压，转换结果越界立刻触发中断——"电池过压报警""温度失控报警"这类需求不用 CPU 频繁比较，硬件自动盯梢。

五、三种数据读取方式对比

轮询（阻塞） 中断 DMA
CPU 占用 高（干等） 中（转完打断一次） 几乎为 0
代码难度 ★ ★★ ★★
适用场景 偶尔读一次、demo 验证 单通道、需要及时处理每个值 多通道、连续/高速采集
关键 API HAL_ADC_PollForConversion HAL_ADC_Start_IT + 回调 HAL_ADC_Start_DMA

经验法则：教学最先学轮询，项目里差不多都用 DMA。中断方式介于两者之间，但要注意转换很快时（比如 1Msps）中断都来不及处理。

六、上手实战（STM32CubeMX + HAL 库）

硬件准备：任意一块 STM32F103 开发板（如最白菜的 BluePill）、一个电位器（中间脚接 PA0，两边接 3.3V 和 GND）、USB 转串口模块。

6.0 通用配置流程

不论用哪种方式，CubeMX 里的配置流程都是这七步：

这里把 ADC 参数配置界面里每个选项的意思列成表（CSDN 上被问得最多的就是这些）：

配置项 推荐值 说明
Resolution（分辨率） 12 位（F1 固定） 部分系列可选 6/8/10/12 位
Data Alignment Right 右对齐 读数直接为 0~4095
Scan Conversion Mode 多通道时 Enabled 单通道 Disable
Continuous Conversion Mode 按需 连续自动转换开关
Discontinuous Conversion Mode 一般 Disabled 间断分组模式，入门先不用
DMA Continuous Requests 用 DMA 时 Enabled 扫描结束后 DMA 继续请求
End Of Conversion Selection 默认 每个通道转完置 EOC 标志
Number Of Conversion = 通道数 规则组序列长度
Rank 1,2,3… 序列中每个通道的顺序和采样时间
External Trigger Conversion 软件/定时器/EXTI 触发源，实战三用定时器
Sampling Time 1.5 ~ 239.5 cycles 阻抗高则拉长（见 4.7）

另外两件事每次都要做：

  1. 时钟树里确认 ADCCLK：F1 不要超过 14MHz；72MHz 主频常用 /6 = 12MHz；

  2. 代码里（F1 系列）上电后先做一次自校准 HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1)，能明显减小偏移误差。

6.1 实战一：单通道轮询读取电位器电压

目标：转电位器，每 500ms 把电压值通过串口打印出来。

CubeMX 配置：PA0 → ADC1_IN0；扫描关、连续关、触发源选软件触发；采样时间 55.5 周期；开 USART1（PA9/PA10）。

用户代码（写在 USER CODE 区）：

uint32_t adc_raw;
float    voltage;
char     buf[64];
​
/* USER CODE BEGIN 2 */
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);   // F1系列：上电先自校准！
/* USER CODE END 2 */
​
while (1)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc1);                                // ① 软件触发一次转换
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10) == HAL_OK)  // ② 阻塞等待转换完(超时10ms)
    {
        adc_raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);               // ③ 读原始值 0~4095
        voltage = adc_raw * 3.3f / 4095.0f;               // ④ 换算成实际电压
        sprintf(buf, "raw=%lu, voltage=%.3f V\r\n", adc_raw, voltage);
        HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 100);
    }
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);
    HAL_Delay(500);
}

要点解析：

  • "启动 → 等待 EOC → 读 DR" 就是轮询三板斧，期间 CPU 在 PollForConversion 里干等，所以只适合低频、偶尔读取；

  • HAL_ADC_GetValue 只是读寄存器，必须先确认转换完成（PollForConversion 返回 OK）再读，否则拿到的是旧值或 0；

  • 若读数全是 0：检查 ADC 时钟使能、引脚是否为 Analog 模式、是否忘记 HAL_ADC_Start。

6.2 实战二：DMA 多通道采集（强烈推荐）

目标：同时采集电位器（PA0）、光敏电阻（PA1）、温度探头（PA2）三路，CPU 不参与搬运。

CubeMX 配置变化（相对实战一）：

  1. ADC1 勾选 IN0、IN1、IN2 三个通道；

  2. Scan Conversion Mode → Enabled，Continuous → Enabled；

  3. Number Of Conversion = 3，Rank1~3 分别绑定通道 0/1/2；

  4. 左侧 DMA Settings → Add，方向 ADC1→Memory，模式选 Circular（循环），数据宽度 Half Word；

  5. 注意生成工程顺序：MX_DMA_Init() 必须在 MX_ADC1_Init() 之前（CubeMX 会自动排好）。

用户代码：

uint16_t adc_buf[3];    // [0]=电位器 [1]=光敏 [2]=温度，与Rank顺序一一对应
​
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_buf, 3);   // 启动后就不用管了
/* USER CODE END 2 */
​
while (1)
{
    // 随时读 adc_buf，DMA 已在后台默默刷新
    float v0 = adc_buf[0] * 3.3f / 4095.0f;
    float v1 = adc_buf[1] * 3.3f / 4095.0f;
    float v2 = adc_buf[2] * 3.3f / 4095.0f;
    char buf[80];
    sprintf(buf, "CH0=%.2fV CH1=%.2fV CH2=%.2fV\r\n", v0, v1, v2);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 100);
    HAL_Delay(500);   // 打印快慢你自己定，采样始终在自动进行
}

要点解析：

  • DMA 循环模式：ADC 每转完一个通道，DMA 立即把 DR 里的值搬到 adc_buf 对应下标，一轮结束后自动从头再来，CPU 零参与；

  • adc_buf 与 Rank 序列的一一对应关系不能乱，数据"张冠李戴"都是这里排错序；

  • 常见误区：HAL_ADC_GetValue 在 DMA 模式下不要用——值早被 DMA 搬走了，直接读数组就行。

6.3 实战三：定时器触发 + DMA，实现"精确采样率"

轮询 + HAL_Delay 的采样间隔误差很大（代码执行时间、中断抖动都会影响），做音频、震动分析、波形显示时不可接受。正确做法：用定时器的更新事件（TRGO）精准触发 ADC，采样率完全由硬件决定。

CubeMX 配置：

  1. TIM3：Clock Source = Internal Clock；Trigger Event Selection = Update Event；PSC=71、ARR=99（72MHz/72/100 = 10kHz）；

  2. ADC1：External Trigger Conversion Source 选 Timer 3 Capture Compare/Trigger Out；触发沿 Rising Edge；Continuous Disabled（节奏已由定时器掌控）；DMA 保持 Circular。

用户代码（并采用"乒乓双半缓冲"，采 200 个点一组处理）：

#define BUF_LEN 200
uint16_t buf[BUF_LEN];
​
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);
HAL_TIM_Base_Start(&htim3);                    // ① 先开定时器
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)buf, BUF_LEN);  // ② ADC外部触发
/* USER CODE END 2 */
​
/* 前半缓冲（buf[0:100)）传满：趁后台采集后半，处理这 100 个点 */
void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    // 取出 buf[0..99] 做滤波 / FFT / 串口发送
}
/* 全部传满：处理 buf[100:200) */
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    // 取出 buf[100..199] 做滤波 / FFT / 串口发送
}

说明：两个回调函数让"采集"与"处理"交替进行——半满时处理前 100 点的同时，DMA 继续往后 100 点写，全满时反过来，循环无缝。这是示波器、音频采集类项目的标准写法，受限于篇幅这里只给框架，核心 API 都在这了。

要点解析：

  • 采样率公式：fs = f_TIM / ((PSC+1)×(ARR+1))，改 ARR 即可改采样率；

  • 定时器触发时必须关掉 Continuous，否则 ADC 会脱离触发自己狂转；

  • 定时器 TRGO 触发源的可选范围与具体型号有关，在 CubeMX 的 External Trigger 下拉框里挑。

6.4 实战四：内部温度传感器 + Vrefint 校准

两个内部通道（IN16/IN17）非常实用：一个免费测温，一个能校准 VDDA（当你的 3.3V 供电并不准的时候——比如 USB 口供电常常只有 3.2V，ADC 读数就会整体偏移）。

CubeMX：勾选 ADC1 的 Temperature Sensor Channel 和 Vrefint Channel（会自动占用 IN16/IN17）。注意温度传感器需要的采样时间较长，建议采样时间选最长的 239.5 周期（F1 手册要求 T_S_temp ≥ 17.1µs）。

uint16_t adc_buf[2];   // [0]=温度传感器 [1]=Vrefint
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_buf, 2);
​
while (1)
{
    /* 第一步：用 Vrefint(约1.20V) 反推 VDDA 真实值 */
    float vdda = 1.20f * 4095.0f / adc_buf[1];     // 电源不是精确3.3V时很关键
​
    /* 第二步：换算温度电压并代入F103手册公式 */
    float vsense = adc_buf[0] * vdda / 4095.0f;
    float temp   = (1.43f - vsense) / 0.0043f + 25.0f;  // V25=1.43V, 斜率4.3mV/℃
​
    char buf[64];
    sprintf(buf, "VDDA=%.3fV, chip temp=%.1f C\r\n", vdda, temp);
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 100);
    HAL_Delay(1000);
}

要点解析：

  • F103 温度传感器参数：V25（25℃ 时电压）≈ 1.43V，平均斜率 ≈ 4.3mV/℃——不同系列数值不同，以你手头芯片的数据手册为准（例如 F4 是 0.76V / 2.5mV/℃）；

  • 内部温度传感器测的是芯片结温，受芯片自身发热影响，只能当"芯片温度参考"，测环境温度还是要外接传感器；

  • 部分系列（F0/F4/L4 等）出厂在芯片里存了 Vrefint 校准值（VREFINT_CAL），校准公式与本文不同，思路一致：由已知基准反推 VDDA。

七、精度优化与避坑指南

同一个 ADC，别人能测稳到 0.01V，你的读数却乱跳 ±50 个码？问题多半在下面这张表里：

7.1 硬件层面

措施 说明
稳定干净的 VDDA/Vref+ ADC 的天花板是参考电压。Vref+ 上加磁珠+去耦电容（100nF + 1µF），有独立 LDO 更好
模拟输入加 RC 滤波 引脚串 100Ω~1kΩ 电阻 + 对地 100nF 电容，即一阶低通兼抗混叠
模拟地/数字地单点相连 大电流回路、开关电源远离模拟走线
注意信号源内阻 内阻大 → 拉长采样时间或加运放跟随（见 4.7）
输入保护 别让输入超 Vref+ 或为负压，需要时加钳位二极管

7.2 软件层面

  • 多次平均（过采样）：采 N 次求平均，噪声下降 √N 倍。例：连采 16 次取平均，简单有效；

  • 中值滤波：剔除偶发尖刺（脉冲干扰场景首选）；

  • 滑动平均/一阶 IIR：y = y*0.9 + x*0.1，慢变信号平滑好用；

  • 软件校准：F1 系列开机 HAL_ADCEx_Calibration_Start；用 Vrefint 修正 VDDA（实战四）。

  • 丢掉头尾：切换通道后第一次转换可能受前一通道电压残留影响，多通道快速扫描时可舍弃每组首个样本。

/* 最常用的均值滤波示例：32次采样取平均 */
uint32_t ADC_ReadAvg(ADC_HandleTypeDef *hadc, uint8_t times)
{
    uint32_t sum = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < times; i++)
    {
        HAL_ADC_Start(hadc);
        HAL_ADC_PollForConversion(hadc, 10);
        sum += HAL_ADC_GetValue(hadc);
    }
    HAL_ADC_Stop(hadc);
    return sum / times;
}

八、常见问题 FAQ

Q1：读数总是 0？ A：逐步检查：ADC 时钟使能了吗？GPIO 是 Analog 模式吗？忘写 HAL_ADC_Start / HAL_ADCEx_Calibration_Start 了吗？DMA 模式下却在用 HAL_ADC_GetValue？

Q2：读数上下跳动几十个码？ A：正常现象（哪怕理想的 12 位 ADC 也有 ±1 LSB 起步的噪声）。依次试：加大采样时间 → 输入端加 100nF 电容 → 软件平均 → 检查 Vref 是否干净。

Q3：多通道数据总是串/错位？ A：99% 是没开 DMA，或 Rank 顺序与 adc_buf 下标对应错了；也可能是采样时间太短，上一通道的电荷还没泄放（拉长采样时间试试）。

Q4：DMA 模式下 adc_buf 一直不更新？ A：检查 DMA 是否是 Circular 模式、MX_DMA_Init() 是否在 MX_ADC1_Init() 之前、NDTR 长度与数组长度是否一致。

Q5：内部温度测得比室温高、还飘？ A：正常。它测的是芯片结温，芯片一上电就自热，且个体差异大（±10℃ 量级），只适合做相对变化参考和过温保护。

Q6：非要更快速度（>1Msps）或更高精度（>12位）怎么办？ A：F1 可以用"双 ADC 交叉模式"等玩法提倍采样率；或者上外置 ADC 芯片：想要精度选 Σ-Δ 型（如 ADS1115，16 位），想要更高速度选专用 SAR 或并行 ADC（如 AD9226 等），通过 SPI / I2C / 并口接入。

九、知识点速查表（背完敢去面试）

  • ADC 四步：采样 → 保持 → 量化 → 编码；

  • 奈奎斯特：fs ≥ 2×fmax，不足则混叠，混叠不可恢复；

  • 1 LSB = Vref / 2^N；量化误差 ≤ ±1/2 LSB；理想 SNR ≈ 6.02N + 1.76 dB；

  • 电压换算：Vin = ADC值 × Vref / 4095（12 位右对齐）；

  • SAR = 二分/逐位逼近，一拍一位；MCU 内置 ADC 的主流架构；Σ-Δ = 过采样+噪声整形，精度最高；

  • STM32F1 ADC：12 位、18 通道（16 外 + 温度 IN16 + Vrefint IN17）、ADCCLK ≤ 14MHz（PCLK2 分频 /2/4/6/8）；

  • Tconv = 采样时间 + 12.5 周期，最快 1.5+12.5=14 周期，14MHz 时 1µs（1Msps）；

  • 规则组 16 通道排队转换；注入组 4 通道可"插队"打断；

  • 模式：单次 / 连续 / 扫描 / 扫描+连续；扫描必须配 DMA（DR 会被覆盖）；

  • 三种读数方式：轮询（简单）→ 中断（及时）→ DMA（常用，零 CPU 开销）；

  • F1 上电要自校准：HAL_ADCEx_Calibration_Start；

  • 精确采样率：定时器 TRGO 触发，fs = fTIM/((PSC+1)(ARR+1))，关连续模式；

  • 提精度三板斧：稳 Vref、加滤波/拉长采样时间、软件平均；修正 VDDA 用 Vrefint。

十、进阶阅读方向

  • 双 ADC 交叉模式（双倍采样率）、注入组在电机控制（FOC 电流环）中的应用；

  • STM32G4/H7 的 16 位 ADC、硬件过采样单元（无需 CPU 直接提高有效位数）；

  • 外置 ADC 芯片：ADS1115（I2C 16 位 Σ-Δ）、AD7606（8 通道 16 位同步采样）、HX711（称重专用）；

  • DMA 双缓冲 + FFT（CMSIS-DSP 库）做频谱分析；

  • RTOS 任务中的 ADC 采集架构设计（信号量 + 队列传递数据）。

参考资料

  1. ST《STM32F10x 参考手册 RM0008》第 11 章：Analog-to-digital converter (ADC)

  2. ST 应用笔记 AN2834《How to get the best ADC accuracy in STM32》

  3. 【CSDN】使用HAL库开发STM32：ADC基础使用：使用HAL库开发STM32：ADC基础使用_stm32 hal adc-CSDN博客

  4. 【CSDN】SD ADC(Σ-Δ)与 SAR ADC 核心区别：SD ADC（Σ-Δ ADC）与 SAR ADC（逐次逼近型 ADC）核心区别_sdadc-CSDN博客

  5. 【CSDN】STM32 ADC原理详解及应用编程：【STM32】单片机ADC原理详解及应用编程_stm32adc工作原理-CSDN博客

  6. 【知乎】什么是 SAR ADC？：https://www.zhihu.com/question/471760740

  7. onlycalm 单片机ADC采样笔记：https://www.onlycalm.cn/docs/

📝 写这篇文章的目的是帮助自己理解 ADC"从模拟到数字"的全流程，并结合 STM32 实战把知识落地。文中如有疏漏，欢迎评论区指正，共同进步！

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