ADC模数转换详解

引言

温度、湿度、压力、光线、声音这些物理量都是连续变化的模拟量，单片机只能处理 0 和 1 的数字量。ADC（模数转换器）负责把模拟量转换成数字量，是单片机采集这类信号的入口。下面按基本概念、核心参数、工作模式、HAL 配置示例、DMA 采集和常见问题依次展开。

一、ADC 基本概念

ADC（Analog to Digital Converter）将连续的模拟信号转换为离散的数字信号。转换过程包含四个步骤：

步骤	说明
采样（Sampling）	以固定时间间隔获取模拟信号的瞬时值
保持（Hold）	用电容保持采样值，防止转换期间信号变化
量化（Quantization）	将连续的模拟值划分为离散的数字级别
编码（Encoding）	将量化结果以二进制形式输出

二、核心参数详解

1. 分辨率（Resolution）

STM32 F1/F4 系列：典型 12 位分辨率，输出范围 0 ~ 4095（2¹² - 1）
STM32 H7 系列：最高 16 位分辨率，过采样可达 26 位

LSB（最低有效位）计算公式：

LSB = Vref+ / 2^分辨率位数

以 12 位分辨率、参考电压 3.3V 为例：

LSB = 3.3V / 4096 ≈ 0.806mV
实际电压 = ADC转换值 × (3.3 / 4096)

2. 采样率（Sampling Rate）

关键参数	F1 系列典型值	说明
ADC 时钟	最高14 MHz	超过会降低精度
常用分频配置	PCLK2 的 8 分频 = 9 MHz	ADCCLK 必须 ≤ 14MHz
最短采样周期	1.5 个 ADCCLK 周期	可编程范围：1.5 ~ 239.5 周期

总转换时间公式：

Tconv = 采样时间 + 12.5 个周期（逐次逼近固定时间）

最快转换时间（F1）：Tconv = (1.5 + 12.5) × (1/12MHz) ≈ 1.17 μs

3. ADC 类型

STM32 采用逐次逼近型（SAR）ADC，在精度和速度之间取得良好平衡。逐次逼近的工作方式类似二分查找：从最高位开始，每次比较后把候选范围缩小一半，逐位确定转换结果。

三、工作模式

转换模式

模式	说明
单次转换	触发一次，执行一次转换后停止
连续转换	一次触发后，不断循环转换
扫描模式	按预设顺序轮流采集多个通道
间断模式	分组间断地进行多通道转换

通道组

通道组	通道数	特点
规则通道组（Regular）	最多 16 路	正常运行，结果存于单个数据寄存器
注入通道组（Injected）	最多 4 路	类似中断，可打断规则通道转换

触发方式

软件触发：代码直接启动转换
外部事件触发：定时器、EXTI 外部中断等

四、HAL 库配置示例

单通道单次转换

// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

// 2. GPIO 配置为模拟输入
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 3. ADC 初始化
ADC_HandleTypeDef hadc1;
hadc1.Instance = ADC1;
hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
HAL_ADC_Init(&hadc1);

// 4. 配置通道
ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

// 5. 读取转换值
HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
float voltage = adc_value * (3.3f / 4096);

五、DMA 模式：多通道与高速采集

对于多通道或高速持续采集，推荐使用 DMA 循环传输模式，由 DMA 自动将 ADC 数据搬移到内存数组，无需 CPU 频繁干预：

// DMA 关键配置
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;              // 循环模式
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = ADC1_DR_Address;  // ADC数据寄存器
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&adc_buffer; // 内存数组
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 通道数量;

这样 ADC 持续采集，DMA 自动搬运，CPU 只需在需要时读取 adc_buffer 即可。

六、常见问题与注意事项

问题	原因	解决方案
外部阻抗过大导致误差	分压电阻过大（MΩ 级），与内部 50kΩ 阻抗分压	使用 ≤10kΩ 分压电阻，或加运放做阻抗变换
多通道串扰	采样电容在通道切换时残留电荷	增大通道间采样延时
引脚浮空	外部无输入时引脚悬空	加下拉电阻
扫描模式数据覆盖	规则组只有一个数据寄存器	及时读取或使用 DMA
ADC 时钟超频	ADC 时钟 >14MHz	正确配置分频因子

七、STM32 各系列 ADC 参数速查

指标	STM32F1	STM32F4	STM32H7
分辨率	12 bit	12 bit	16 bit
ADC 时钟	最高14 MHz	36 MHz	36 MHz
最快转换时间	≈ 1 μs	≈ 0.5 μs	更快
参考电压	3.3V	3.3V	2.5V / 3.3V
LSB（12bit@3.3V）	0.806 mV	0.806 mV	约 0.05 mV

总结

ADC 把连续变化的模拟量转换成离散的数字量，中间经过采样、保持、量化和编码四个步骤。分辨率决定能分辨的最小电压变化，采样时间和 ADC 时钟决定转换速度，多通道或高速采集则交给 DMA 循环搬运。这几个参数之间的取舍，是设计采样电路时要先确定的部分。

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