ADC模数转换器和DAC数模转换器基础

2401_84977420 · 2025-08-08 22:11:58 发布

三步曲：采样 → 量化 → 编码

转换公式（理想线性 ADC）：
Digital Output = (Vin / Vref) * (2^N - 1)
Vin：输入模拟电压
Vref：参考电压（ADC 的基准）
N：ADC 的分辨率（位数，如 12 位）
2^N - 1：最大数字值（如 12 位 ADC 最大值为 4095）

输入: 0–3.3 V，12 位 ADC → Δ = 3.3 V / 4096 ≈ 0.8mv
采样值 1.65 V → 落在第 2048 级 → 输出 0x0800

D/A（Digital → Analog）

逆向三步：解码 → 保持 → 平滑

模拟信号 ——→[S/H]——→[ADC]——→ 数字码 ——→[DAC]——→[LPF]—— 重建模拟。

总结：ADC 把曲线‘切片’成编号；DAC 把编号‘叠片’成曲线，滤波后还原。

常见：12 位（最常用，值范围 0-4095）。部分型号支持 10 位、8 位或 6 位（通过配置降低分辨率可提高速度）。

最小可分辨电压 (LSB - Least Significant Bit)： Vref / (2^N - 1)。例如，Vref=3.3V，12 位 ADC，LSB ≈ 0.8mV。

2.参考电压 (Vref+, Vref-)：
最关键参数之一！决定了 ADC 的输入范围和精度。

Vref+：通常连接到稳定的电源（如专用 VREF 引脚接 3.3V 或 2.5V 基准源）或内部基准（精度较差）。
Vref-：通常接地 (GND)。

输入电压范围： Vin 必须在 Vref- 到 Vref+ 之间。超出范围可能损坏 ADC 或得到错误值（饱和在 0 或 4095）。

每个 ADC 有多个模拟输入通道（如 16, 19 个等，具体看型号）。

通道可以连接：

外部引脚： (GPIO 配置为模拟输入 GPIO_Mode_AIN) 用于测量外部传感器电压。
内部信号源：如内部温度传感器、内部参考电压 (VREFINT)、电池电压 (VBAT)。

采样时间 (TSAMPLE)： ADC 内部电容对输入电压进行充电以达到稳定状态的时间。可软件配置（标准库中 ADC_SampleTime 参数），时间越长，抗噪声能力越强，但转换越慢。

转换时间 (TCONV)：固定时间，取决于分辨率（位数）。例如，12 位转换需要 12 个 ADC 时钟周期。

总转换速率： Fadc_clock / (Sampling_Cycles + Conversion_Cycles)。ADC 时钟频率 (Fadc_clock) 由系统时钟分频得到（需配置 RCC）.

软件触发：程序主动调用函数（如 ADC_SoftwareStartConvCmd()）启动转换。简单，但实时性差。

硬件触发：由其他外设（如 TIM 定时器、EXTI）的信号自动启动转换。关键用于周期性采样或同步操作！

例如：用 TIM 定时器每 1ms 触发 ADC 采样一次，实现精确时间间隔的数据采集。

转换模式：
单次转换：触发一次，只转换一个指定通道，然后停止。适合单次读取。
连续转换：启动后，ADC 会自动连续不断地转换同一个通道（无需重复触发）。适合监控一个快速变化的信号。

扫描模式：用于转换多个通道。配置一个通道序列（如 Ch0, Ch1, Ch3, Ch8）。触发一次（单次扫描）或持续触发（连续扫描），ADC 会按顺序自动转换序列中的所有通道。

DMA 搭档：扫描模式强烈建议配合 DMA 使用！DMA 能自动将每个通道的转换结果搬运到内存数组，避免 CPU 频繁中断读取，提高效率.

右对齐：结果放在寄存器的低 12 位（0x0FFF），高 4 位为 0。最常用，直接读取就是 0-4095。
左对齐：结果放在寄存器的高 12 位（0xFFF0）。读取后需要右移 4 位才能得到 0-4095，有时用于快速处理（舍弃低精度位）。

重要步骤！上电后、开始使用 ADC 前，务必执行一次校准（调用 ADC_Calibration() 相关函数）。

校准值存储在 ADC 内部，后续转换会自动补偿.

注入通道 vs 规则通道：
规则通道：常规转换通道，用于主任务。最多 16 个通道组成一个序列（扫描模式）。
注入通道：类似“插队”通道。用于高优先级、突发的转换任务（如过压保护）。
最多 4 个注入通道。
当注入通道被触发时，会中断当前正在进行的规则通道转换，优先执行注入通道转换，完成后恢复规则通道转换。且有自己的独立数据寄存。