STM32 ADC 模数转换 学习笔记

基于示例工程：D:\下载\STM32入门教程资料\程序源码\STM32Project-有注释版\7-1 AD单通道
硬件：STM32F103C8 + 标准外设库 V3.5.0（Keil 工程）
前置：已学完 GPIO、中断、定时器、PWM。ADC 是单片机第一次真正"接触模拟世界"的地方——它让只会说 0 和 1 的单片机，能读出连续变化的电压。

一、什么是 ADC？为什么需要它？

1.1 回到《前置基础》的一句话

你的单片机引脚只会输出高/低电平（0 / 1），它是数字世界的产物。但现实世界是模拟的：电位器旋钮的角度、温度传感器的电压、声音的波形……都是连续变化的。

ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）就是把"连续变化的电压"翻译成"数字 0~4095"的硬件。

电位器分压电压 0~3.3V（模拟、连续）
        │ ADC 转换
        ▼
数字值 0~4095（数字、离散）
        │ 公式换算
        ▼
0.00V ~ 3.30V（又变回人能读懂的电压）

一句话：ADC 是数字单片机看模拟世界的"眼睛"。

1.2 生活类比

想象一把只有 4096 个刻度的尺子，量程 0~3.3V。ADC 就是拿这把尺子去量引脚上的电压，量出来是"第几格"，就输出几。

• 电压 0V → 第 0 格 → 输出 0
• 电压 1.65V → 第 2048 格 → 输出 2048
• 电压 3.3V → 第 4095 格 → 输出 4095

刻度之间那些"细到量不出来"的部分，就是 量化误差（见 2.2）。刻度的总数，就是 分辨率。

二、ADC 的核心参数（先建立概念）

2.1 分辨率（Resolution）

STM32F103 的 ADC 是 12 位的，所以结果范围是 0 ~ 4095（共 4096 个值）。

能分辨的最小电压 = 满量程 ÷ 2^位数 = 3.3V ÷ 4096 ≈ 0.0008V = 0.8mV

• 位数越多 → 分辨率越高 → 量得越精细（12位、16位、24位…）
• 12 位在单片机里是很常见的折中：精度够用，转换快，寄存器正好 16 位能装下

2.2 量化与量化误差

把连续电压"分段"成 4096 格，就是量化。落在两格之间的真实电压，会被"就近取整"到某一格，这个抹掉的误差叫量化误差，最大不超过半个格（约 0.4mV）。量化误差是 ADC 天生的，无法消除，只能通过提高位数减小。

2.3 参考电压（VREF）

ADC 的"满量程"由参考电压决定：输入电压到达 VREF 时，ADC 输出最大（4095）。

• STM32F103 的 VREF+ 通常直接接 3.3V（即 VDDA），所以满量程是 3.3V。
• 换算公式里那个 * 3.3 就是参考电压。
• 输入电压不能超过参考电压！ 超过会烧引脚。所以外部信号进 PA0 前，必须确保在 0~3.3V 范围内。

2.4 转换时间与采样保持

ADC 转换不是瞬时的，需要时间。转换前还要采样——把引脚电压"抓住"并保持住，让内部电路稳定测量。

• 采样时间越长，结果越准，但转换越慢。
• STM32F103 ADC 时钟上限 14MHz，本项目配成 12MHz（见 4.2）。
• 本项目采样时间 55.5 个周期，总转换时间 ≈ (55.5 + 12.5) ÷ 12MHz ≈ 5.7μs，约每秒 17 万次——对"读电位器"来说绰绰有余。

三、STM32F103 的 ADC 资源

通道和引脚的对应关系（STM32F103，记住常用的前几个）：

另外还有两个内部通道：通道16 = 内部温度传感器，通道17 = 内部参考电压（1.2V 左右）。测芯片温度用通道16。

四、逐行精讲 AD_Init（AD.c）

4.1 开启时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);   // 开 ADC1 时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  // 开 GPIOA 时钟

• ADC1 在 APB2 总线上（所以用 RCC_APB2PeriphClockCmd），GPIOA 也在 APB2。
• 老规矩：用外设先开时钟。

4.2 设置 ADC 时钟

RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);   // 72MHz / 6 = 12MHz

• ADC 有自己独立的时钟，由 APB2（72MHz）分频得到。
• 上限是 14MHz。所以 72MHz 只能分频成：72/2=36（超限❌）、72/4=18（超限❌）、72/6=12MHz（✅）、72/8=9MHz（✅）。
• 本项目用 6 分频 = 12MHz，在允许范围内，速度也够快。

4.3 配置 GPIO：PA0 为模拟输入

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AIN;   // 模拟输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_Mode_AIN（Analog Input，模拟输入） 是 GPIO 的又一个新模式。对照你学过的模式：

为什么用 AIN？ 读模拟电压时，引脚内部的数字输入缓冲器必须断开（否则数字电路会干扰模拟信号），让电压直接进入 ADC 的采样电路。这个模式把引脚内部配置成"纯模拟通路"。

4.4 规则组通道配置

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_0, 1, ADC_SampleTime_55Cycles5);

这句的含义：把"通道0（PA0）"放进 ADC1 规则组序列的第 1 位，采样时间 55.5 个周期。

• ADC_Channel_0：要转换的通道（PA0）。
• 1：在规则组序列里的位置。本项目只转换一个通道，放第 1 位即可。
• ADC_SampleTime_55Cycles5：采样时间。可选 1.5 / 7.5 / 13.5 / 28.5 / 41.5 / 55.5 / 71.5 / 239.5 个周期。采样时间越长越准但越慢，新手用 55.5 或 71.5 更稳。

4.5 ADC 初始化（核心，参数最多）

ADC_InitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;            // 独立模式（只用 ADC1）
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;        // 右对齐
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;  // 软件触发
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;           // 单次转换
ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = DISABLE;                 // 非扫描（只转一路）
ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel = 1;                       // 通道数 = 1
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

逐项解释（每个参数都对照"单通道读一次电位器"这个需求来理解）：

两个容易混的概念（重点）：

• 单次 vs 连续（ContinuousConvMode）：单次 = 你喊一声转一次；连续 = 转换完自动又开始下一次，像流水一样不停。
• 非扫描 vs 扫描（ScanConvMode）：非扫描 = 只转序列第 1 位；扫描 = 把序列里排好的多个通道依次全转一遍（转完一轮产生 EOC）。

本项目：单次 + 非扫描 = "手动喊一次，转一路"。最简单。

4.6 使能 ADC

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);

启动 ADC。老规矩，别漏。

4.7 ADC 校准（固定流程，照抄）

ADC_ResetCalibration(ADC1);                       // 复位校准
while (ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1) == SET);  // 等复位完成
ADC_StartCalibration(ADC1);                       // 开始校准
while (ADC_GetCalibrationStatus(ADC1) == SET);    // 等校准完成

• ADC 内部有电容等模拟电路，上电后会有微小偏差。校准就是让 ADC 自己测出偏差并修正。
• 这是固定流程：每次上电使能后都要执行一次，照着写即可，不用深究。
• 校准完成后，ADC 才能放心使用。

五、AD_GetValue 逐行（怎么真正读一个值）

uint16_t AD_GetValue(void)
{
    ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);                   // ① 软件触发，开始转换
    while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);   // ② 等转换结束
    return ADC_GetConversionValue(ADC1);                      // ③ 读结果
}

三个动作对应"喊一声 → 等它量完 → 拿结果"：

1. 触发：因为配置的是软件触发，这里喊一声"开始转换"。转换是硬件自动进行的，CPU 不等它。
2. 等待 EOC 标志：EOC = End Of Conversion（转换结束）。硬件转完会把这个标志位置 1。这里用轮询——不断问"好了吗？"，没好就一直等。（这是最简单的方式；以后可换成中断/DMA，CPU 就不用干等。）
3. 读结果：从 ADC 的数据寄存器读走 12 位结果（0~4095）。

注意：读数据寄存器后，EOC 标志会自动清除，下次可以继续触发。

六、电压换算公式（main.c 的精华）

ADValue = AD_GetValue();                    // 0~4095
Voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3;      // 换算成 0~3.3V

6.1 公式推导

12 位 ADC，输入 0V 对应 0，输入 3.3V（参考电压）对应 4095，是线性关系：

电压 = AD值 ÷ 最大AD值 × 参考电压 = ADValue / 4095 × 3.3

6.2 为什么要有 (float)ADValue / 4095

ADValue 是整数（uint16_t）。整数除法 ADValue / 4095 会把结果截断成 0 或 1，再乘以 3.3 就只有 0 或 3.3 两个值，完全错误。

(float)ADValue 把 ADValue 强制转成浮点数，之后整个除法就是浮点除法，小数就保住了。这是单片机编程里最常见的坑之一：整数除法丢小数。

错误：ADValue / 4095 * 3.3      // 先整数除法，结果≈0或1
正确：(float)ADValue / 4095 * 3.3  // 先转浮点，保留小数

6.3 OLED 显示小数的一个技巧

OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1);                            // 整数部分
OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100, 2);   // 小数部分

OLED 显示不了浮点，于是拆开：

• 整数部分直接显示 Voltage（隐式转成整数）。
• 小数部分：Voltage * 100 把小数移到整数位（如 1.657→165.7），取整后 % 100 取出后两位（→65），显示成 .65。

小提示：OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1) 里直接把 float 传给形参（uint32_t），C 会隐式截断成整数，能跑但对编译器不够友好，写成 (uint16_t)Voltage 更规范。

七、main.c 主程序逻辑

uint16_t ADValue;   // AD 原始值
float    Voltage;   // 换算后的电压

int main(void)
{
    OLED_Init();
    AD_Init();

    OLED_ShowString(1, 1, "ADValue:");
    OLED_ShowString(2, 1, "Voltage:0.00V");

    while (1)
    {
        ADValue = AD_GetValue();                    // 读一次 AD 值
        Voltage = (float)ADValue / 4095 * 3.3;      // 换成电压
        OLED_ShowNum(1, 9, ADValue, 4);             // 显示 AD 值
        OLED_ShowNum(2, 9, Voltage, 1);             // 显示电压整数
        OLED_ShowNum(2, 11, (uint16_t)(Voltage * 100) % 100, 2);  // 显示电压小数
        Delay_ms(100);                              // 100ms 读一次
    }
}

流程：初始化 → 主循环里"读一次 → 换算 → 显示 → 延时 100ms → 再读"。旋动电位器，OLED 上的电压实时变化。

Delay_ms(100) 控制采样节奏：每 100ms 刷新一次显示。想刷更快就减小延时。

八、硬件接线与注意事项

电位器（或任何 0~3.3V 可调电压）──► PA0
                                    GND 共地

• 输入电压必须 0~3.3V。超过 3.3V 可能烧 ADC/引脚；超过后结果会"卡"在 4095 不再变化（也叫"饱和"）。
• 如果信号本身可能是 0~5V（比如某些传感器输出），要先分压（两个电阻分压）再进 PA0，不能直接接。
• 信号源要稳定；如果读到的值上下乱跳，可以在 AD 值上加滤波（多读几次取平均，见练习 3）。

九、常见问题与调试

万能排查顺序：先确认输入电压在范围内 → 再看引脚是不是 AIN 模式 → 再查通道号对不对 → 最后查转换流程（触发/等待/读）。

十、动手扩展练习

1. 多通道扫描：把 PA0、PA1、PA2 三个通道都接上，配扫描模式，一次转完三路，分别显示。
2. ADC + 中断：把"等待 EOC"从轮询改成中断（ADC_ITConfig + ADC_IRQHandler），转完自动进中断读值，CPU 不再干等。
3. 软件滤波（均值）：连续读 10 次取平均，观察读数是不是更稳定。
4. 定时器触发 + 连续转换 + DMA：让 ADC 以固定频率自动采样，用 DMA 把结果搬进数组——这是做示波器/音频采集的雏形，也是 ADC 的最高效用法。
5. 内部温度传感器：用通道16 读芯片温度（需要参考手册里的计算公式）。
6. AD 值控制 PWM：读电位器 → 映射到占空比 → 控制 LED 亮度或舵机角度。把 ADC 和前面的 PWM 串起来！

附录：本工程用到的标准库函数

本篇一句话总结：ADC 把 0~~3.3V 的模拟电压"量化"成 12 位的数字 0~~4095。工程里做对了三件事——PA0 配成模拟输入（AIN）、ADC 时钟分频到 12MHz、单通道单次软件触发；读值时"软件触发 → 等 EOC → 读数据寄存器"三步走；最后用 Voltage = ADValue/4095*3.3 换回电压，别忘了 (float) 防止整数除法丢小数。从此单片机就能"看见"模拟世界了。