版本 0973fae76f23c0f943e2d6e5b96e6ad7f5e4850e
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title: ADC
categories: 數位類比轉換器, ADC, Peripherals, STM32F4
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Introduction
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**數位類比轉換器(Analog-to-digital coverter)**
- 用於將類比形式的連續訊號轉換為數位形式的離散訊號的一類設備。
.. image:: /embedded/ADC/圖片2.png
- 當嵌入式電子產品必須根據週遭環境的物理條件如溫度、壓力等產生適當反應，就必須由 ADC 將感測器採得的類比訊號轉為數位訊號。
- 自然界的訊號主要為類比訊號，時間與大小是連續的；adc 負責將類比訊號轉為數位訊號，時間與大小變成離散的。
.. image:: http://www.planetoftunes.com/digiaudio/dig_media/sampling_in_4_bit_convertor.gif
.. image:: /embedded/ADC/adc_convert.png
ADC的規格
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根據**取樣率**與**解晰度**決定產生的數位訊號在時間、大小的離散程度。
**取樣率(Sampling rate)**
- 多久對輸入的類比訊號進行一次轉換。取樣率越高，所得到的數位訊號越連續，但要求較大空間存放資料及較快的資料處理速率。
**解析度(Resolution)**
- 能將當下的類比值轉為多準確的數位值。解析度越高，所得的訊號越精准，但要求每筆資料佔更多的位元數。
- 說明
- 類比訊號圖：橫軸表示時間，縱軸表示大小。取樣率是對橫軸做切割，解析度則對縱軸做切割。
- 因為訊號以二進位方式儲存，所以通常解析度會以位元作為單位。
- 例如 8 位元解析度（假設電壓上限為 0~5V）
- 則我們的訊號在接收時每個單位為（5V-0V）/(2^8-1)=0.0196V
- 若所得到的值為100則其實際上的電壓為 100 × 0.0196 = 1.96V
ADC 轉換公式
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- 以一個解析度為12bits的ADC來說，電壓範圍為0-5V，其轉換公式如下
::
ConvertedVoltage = ConvertedValue * VDD/(2^12-1);
ADC on STM32F4
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- 共有3個12-bit ADC 在開發板上，且可量測16個外部訊號源及2個內部訊號源。
- 有12-bit, 10-bit, 8-bit or 6-bit共4種可選擇的解析度。
- 每個通道的A/D轉換可以使用單次、連續、掃描或間斷模式執行。
- ADC的結果可以左對齊或右對齊的方式儲存於16-bit暫存器中。
ADC Block Diagram
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.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383311801212_%E8%9E%A2%E5%B9%95%E5%BF%AB%E7%85%A7%202013-11-01%20%E4%B8%8B%E5%8D%889.14.26.png
**1. Analog MUX 類比多工器：**
將多個訊號源連接至 ADC, 可在上圖中的左下角看到有 16 組輸入 (ADCx_IN0~15), 經過類比多工器來做訊號源的選擇。
**2. Injected/Regular data register：**
每個 channel 都能配置成 injected or regular, regular 在啟動後 scan 時會依序進行轉換，而 injected 表示會等待外部訊號觸發轉換，觸發後以 injected 的轉換為優先處理。
**3. External/Internal Reference Voltage：**
ADC 所接受的電壓值在 GND 與參考電壓之間，注意其必須接上穩定的電壓源，否則計算上會不穩定。
**4. GPIO Port：**
當我們將GPIO Port設定成類比輸入的模式時，進來GPIO pin的原始訊號源在還沒經過施密特觸發器(Schmitt trigger)會有另一個線路將訊號做導向(導到ADC)
.. code-block::
/* 將GPIO轉為類比用途 */
GPIO_initStructre.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1384160168223_GPIO_basic_src.PNG
Refer to `GPIO Presentation<http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/GPIO>`_
**5. Analog Watchdog：**
用來監控採樣結果，如果超出預設範圍就打斷轉換並發出中斷。
啟動 STM32 之 ADC
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- ADC clock 來自 **PCLK2 (APB2)**, 啟動 ADC 前須先設置好。
.. code-block::
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);
- ADC 可設 ADON 打開電源，重設來關掉電源
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1384161281907_adcon.jpeg
- 版子上共有 **3 組ADC**, 可測量 **16 個外部訊號源**和 **2 個內部訊號源**。每個外部訊號源對應一個通道。
.. image:: /embedded/ADC/ADC on STM32F4
- 每個通道能自己設置不同的採樣時間，可根據不同的應用改變採樣時間。
- 總轉換時間即採樣時間加上 ADC core 等其他元件(ex:溫度感測器的讀取)所需時間。
- ADC 正式運作前必需做 calibration 以避免電容的狀態不是預期而造成誤差。
.. code-block::
ADC_ResetCalibration(ADC1);
- 由於有多個ADC與多個通道，因此可以排列組合出非常多變化的運作模式。
ADC mode
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**Independent-mode** 和 **Dual-mode（multi-mode）**
**Independent mode** 表示此 ADC 獨立運作。
**multi-mode** 表示ADC同時合作執行。
Independent mode
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**ADC 通道配置**
通道可分成 **regular**, **injected** 二組，每個通道能任意屬於哪一組。
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383586655329_test.jpeg
**Regular group**
- 會依序被轉換，但順序可自由配置，最多 16 個。
- 可以選擇 ADC 開始運作時就進行轉換或等待外來觸發轉換。
- 有二種控制條件，組合出四種模式：
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383626797723_jus2.jpeg
- ADC_InitStruct->ADC_ScanConvMode = ENABLE or DISABLE ;
- ADC_InitStruct->ADC_ContinuousConvMode = ENABLE or DISABLE;
1.Single Channel Single conversion mode: 單一通道進行一次轉換。
2.Single Channel Continuous conversion mode: 單一通道持續進行轉換。
3&4.Scan mode: 也分為轉換一次與連續轉換，但因為 data register 只有一個，所以要用 **DMA circular mode** 避免資料遺失。
- DMA: 每個通道轉換完成都發出一個 DMA request, 將 DR 內容存入指定目的地，所有通道轉完才對 CPU 做 EOC 中斷。
**Injected group**
- 最多 4 個通道，且只能設為等待觸發而轉換。（插隊）
- 觸發時若正在轉換規則通道則會暫停而先處理注入通道，完畢後恢復原運作。
- 如果轉換注入通道過程中規則通道轉換被觸發，不會中止注入通道轉換，而是轉換完畢才進行規則通道轉換。
- Auto-injected mode 可設注入通道轉換於規則通道 scan 完成後，可實現一個 iteration 執行 20 次轉換。
- < Discontinuous mode >
- 允許 scan 時不是全部掃完，可以「分批」進行。
- 兩種 group 皆可設為此模式，但同時只有最多一個 group 採用它。
- 此模式必須配合「外部觸發轉換」方式使用。
- 先設置每批有幾個通道，至多八個，但 injected group 強迫每批一個通道。
- 之後各次訊號觸發時轉換一批。
- 以每批三個 (n=3), 通道為 {1, 2, 3, 4, 5} 舉例：
- 1st 觸發，轉換 {1, 2, 3}.
- 2nd 觸發，轉換 {4, 5}, 並因為 scan 結束而發 EOC 中斷。
- 3rd 觸發，轉換 {1, 2, 3}, 以此類推。
Multi Mode (Dual mode)
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- 有一組ADC是無法開啟dual mode,只能使用independent mode
- 在我們的參考資料中ADC3只能開啟independent mode
- 此資訊來自stm32 ADC mode and their application P9
- ADC1, ADC2 分別擔任 master & slave.
**1.Injected simultaneous mode**
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383621324167_1.jpeg
兩個 ADCs 同時觸發而轉換 injected groups.
**2.Regular simultaneous mode**
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383621427303_2.jpeg
- 2 ADCs 外部訊號同時觸發，一起對所負責通道依序轉換，結果存在 ADC1 DR.
- 禁止二個 ADCs 同時對同一通道轉換以免誤差。
**3.Interleaved mode**
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383621427303_2.jpeg
- 透過兩個以上的ADC交互轉換同一個通道可以達到更高的取樣頻率
- 由於同使只能有一個ADC對同一個通道做採樣，因此必須要增加兩個cycle的Delay time以免 phase overlap.
**4.Alternate trigger mode**
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383624981460_6.jpeg
- 只能用在雙方的 injected groups, 用同樣外部訊號輪流接受觸發。
- 如單數次觸發到 ADC1 injected group; 雙數次觸發到 ADC2 injected group.
ADC之 Time Diagram
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.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383732301081_adctime.jpeg
ADC之轉換時間
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**Tconv（Total Conversion Time） = Sampling time + 12 cycles (12 bits resolution)**
- Sampling time
- ADCCLK cycles that can be modified using the SMP[2:0] bits in the ADC_SMPR1 and ADC_SMPR2 registers
.. image:: https://dchtm6r471mui.cloudfront.net/hackpad.com_zDGlbVKfA1D_p.84729_1383727784220_AA.jpeg
- Each channel can be sampled with a different sampling time.
- Example:
- With ADCCLK = 30 MHz and sampling time = 3 cycles:
- Tconv = 3 + 12 = 15 cycles = 0.5 µs with APB2 at 60 MHz
ADC Temperature Measurement
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::
ConvertedVoltage = ConvertedValue*VDD/4095;
ConverTemp= ((((ConverValue*VDD)/4095)-V25)/Slope + 25;
.. image:: /embedded/ADC/formula.png
Demo
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ADC + GPIO
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ADC + GPIO + Temperature Sensor
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Questions
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- 1. ADC的轉換時間有多快?
不一定隨著條件而變，Sample Time跟温度以及内部電路的rc有關
::
Tconv = Sample Time + 12 cycles ( 12-bit resolution )
Sample Time = [3 - 480] cycles
Total conversion time = [0.50 - 16.40] µs，with ADCCLK = 30MHz.
So, Sample Time must > 16.4µs 。
.. image:: /embedded/ADC/table7.jpg
Refer from: STM32F407xx Datasheet P125
- 2. Bandwidth大小為多少?
- 3. 頻率響應為多少,可容忍的最大頻率呢?
在Datasheet中，因為我們參考電壓VDD為2.97V，故**Frequency為[0.6-36]MHz**。
.. image:: /embedded/ADC/table6.jpg
Refer from: STM32F407xx Datasheet P124
- 4. ADC在Stm32的flow中,會經過的,會用到的電路和元件有哪些?
有**External Event Trigger(e.g. timer capture,EXTI)，GPIO ports，External/Internal Reference Voltage，Analog to Digital convert core， Temperature Sensor，Analog Multiplexer，Injected/Regular data register，Analog watchdog，Address/date bus，ADC Clock...**。
.. image:: /embedded/ADC/22.JPG
`STM32F407xx Reference Manual<https://www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fmeasure.feld.cvut.cz%2Fsystem%2Ffiles%2Ffiles%2Fcs%2Fvyuka%2Fpredmety%2FA4M38KRP%2FDM00031020.pdf&ei=Yd4tUrCbFIyZlQWy5IDAAw&usg=AFQjCNG98i1xkmhMAT5oY4owZfumzgq-3Q&sig2=BW3iz-5aJmyGhiu6HR32tA>`_ 參照P264 ADC block diagram
- 5. 測試的接法?
請參考Demo.
- 6. ADC的公式在哪裡找到?
`STM32F407xx Reference Manual<https://www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fmeasure.feld.cvut.cz%2Fsystem%2Ffiles%2Ffiles%2Fcs%2Fvyuka%2Fpredmety%2FA4M38KRP%2FDM00031020.pdf&ei=Yd4tUrCbFIyZlQWy5IDAAw&usg=AFQjCNG98i1xkmhMAT5oY4owZfumzgq-3Q&sig2=BW3iz-5aJmyGhiu6HR32tA>`_ 在 10.10 Temperature sensor 中溫度轉換公式為
::
Temperature (in °C) = {(VSENSE – V25) / Avg_Slope} + 25
Where: V25 = VSENSE value for 25° C、 Avg_Slope = average slope of the temperature vs. VSENSE curve (given in mV/°C or μV/°C)
- 7. 溫度的範圍?
`STM32F407xx Reference Manual<https://www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fmeasure.feld.cvut.cz%2Fsystem%2Ffiles%2Ffiles%2Fcs%2Fvyuka%2Fpredmety%2FA4M38KRP%2FDM00031020.pdf&ei=Yd4tUrCbFIyZlQWy5IDAAw&usg=AFQjCNG98i1xkmhMAT5oY4owZfumzgq-3Q&sig2=BW3iz-5aJmyGhiu6HR32tA>`_ 在 10.10 Temperature sensor 中提到 Supported temperature range: –40 to 125 °C, Precision: ±1.5 °C。
- 8. 當在測量輸出電壓時,三用電表在pin腳上量到的電壓大小與gdb上所取得到的值得誤差有多少?
- 9. 如何先做溫度上的校準?
利用內建溫度感測計在做實驗時,由於無法獨立出一個sensor出來測,所以實驗的環境下是在室溫的環境下,並利用溫度計來量測室溫為多少,來比對板子上所抓到的溫度與溫度計上的溫度.
補:
`STM32F407xx Reference Manual<https://www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fmeasure.feld.cvut.cz%2Fsystem%2Ffiles%2Ffiles%2Fcs%2Fvyuka%2Fpredmety%2FA4M38KRP%2FDM00031020.pdf&ei=Yd4tUrCbFIyZlQWy5IDAAw&usg=AFQjCNG98i1xkmhMAT5oY4owZfumzgq-3Q&sig2=BW3iz-5aJmyGhiu6HR32tA>`_ 在 10.10 Temperature sensor 中一張中的Note提到,此開發版的內部溫度感測器適合來偵測溫度的變化,依據溫度感測公式來看,是基於25°C下與offset得到的溫度值,也就是適合觀察溫度變化,並不適合來取得室溫上的絕對溫度. 所以若要測量精確的絕對溫度的話,Manual上建議外接溫度感測器較為合適.
- 10. 整個程式上的架構為如何?
一開始程式先初始化ADC會用到的硬體資源,其中包含Interrupt、ADC、DMA的初始,之後將ADC的TASK註冊到freertos裡面,Task中是做了DMA所註冊的通道與NVIC的channel設定,而當中我們註冊了 DMA_Stream0_IRQHandler(void),此Interrupt handler會在每次資料由peripheral到memory傳完之後,產生DMA的interrupt,去更新溫度值或電壓值.
詳細的設定請參考下方的Sample code
- Structure
.. code-block:: prettyprint
int main()
{
prvSetupHardware();
xTaskCreate(vADC_DMATask, .., .., .., ..);
vTaskStartScheduler();
}
- 11. 如何選擇mode? Scan or Continuous?
Two groups => a.Regular group。(16 channels) b.Injected group。(2 channels)
::
1.Single conversion mode => ADC dose one conversions。
2.Continuous conversion mode => ADC stars a new conversion as soon as is finishes one。
3.Scan mode => This mode is used to scan a groupof analog channels。
4.Discontinuous mode => Regular group。( n conversions,n<=8 )
- 12. 若想要取得其他外部Sensor的Anolog值,要如何取得?
利用GPIO，設定要接出的Pin腳，並連接至外部訊號上。
- 13. 頻率除以4要幹嘛?不除頻又會怎樣?
頻率目的是方便操作與計算，因為我們設定Sample/Convert Time，單位是cycle，
而 ADCCLK generates from APB2，fPCLK = 84MHz，1 cycle = 0.0119 µs，溫度感測時間需要17 µs。
若設定1個cycle=0.0119 µs，則需要1428個cycles，但是ADC_Sample_Time 支援上限為480 Cycles。
- 14. ExternalTrigConvEdge和ExternalTrigConv是甚麼?觸發又是在幹嘛?
分別為以下︰
- 1.ExternalTrigConvEdge
.. image:: /embedded/ADC/table9.jpg
- 2.ExternalTrigConv
.. image:: /embedded/ADC/table10.jpg
- 15. DMA跟ADC之間是在幹嘛的?
規則通道轉換後的數值儲存在一個唯一的暫存器中，所以當轉換多個規則通道時需要使用DMA，用來避免遺失已經儲存在ADC_DR暫存器的數據。
只有在規則通道轉換結束後才能產生DMA的請求，並且將轉換後的數據從ADC_DR的暫存器傳輸到用戶指定的目的地位址。
- 16. 為什麼要設定DMA,照我們我的作法是跑迴圈的方式去polling溫度的值?要做DMA的話會花幾個cycle?
- 17. DMA_Mode_Circulur這mode在做甚麼用?
主要用來處理circular buffers和連續的data flow(像是ADC的scan mode)。
當此模式啟動時，會將要傳送的資料載入在stream config所設定的初始值，且DMA request會持續服務。
- 18. DMA2_Stream0是甚麼?為什麼是以Stream的方式?
DMA Stream 提供了一個source to destination的單方向傳輸的連結，像是周邊到記憶體或是記憶體到周邊。
- 19. 用while loop可能會取得錯誤的值,也可能會浪費資源?
- 20. 溫度的sampling rate設成20MHz會不會太高,或許1KHz會差不多,開發程式中要call api時,config中值是否可參數化?
溫度的Sample Time是經由公式計算出，無法設定，Datasheet有提供公式，需要設定是Sample Time必須大於取樣時間的MAX值，
您的問題應該是Sampling Rate(取樣頻率)，就根據使用者需求來設定轉換模式，並算出轉換頻率。
.. image:: /embedded/ADC/table8.jpg
Sample Code
===========
- main
.. code-block:: prettyprint
int main()
{
...
/* Start the tasks defined within this file/specific to this demo. */
xTaskCreate( vLEDTask, ( signed portCHAR * ) "LED3", configMINIMAL_STACK_SIZE, (void *)LEDS[0], tskIDLE_PRIORITY, &xLED_Tasks[0] );
xTaskCreate( vLEDTask, ( signed portCHAR * ) "LED4", configMINIMAL_STACK_SIZE, (void *)LEDS[1], tskIDLE_PRIORITY, &xLED_Tasks[1] );
xTaskCreate( vLEDTask, ( signed portCHAR * ) "LED5", configMINIMAL_STACK_SIZE, (void *)LEDS[2], tskIDLE_PRIORITY, &xLED_Tasks[2] );
xTaskCreate( vLEDTask, ( signed portCHAR * ) "LED6", configMINIMAL_STACK_SIZE, (void *)LEDS[3], tskIDLE_PRIORITY, &xLED_Tasks[3] );
xTaskCreate( vADC_DMATask, ( signed portCHAR * ) "ADC", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, NULL );
xTaskCreate( vSWITCHTask, ( signed portCHAR * ) "SWITCH", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, NULL );
xTaskCreate( vMEMSTask, ( signed portCHAR * ) "MEMS", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, &xMEMS_Task );
xTaskCreate( vBALANCETask, ( signed portCHAR * ) "BALANCE", configMINIMAL_STACK_SIZE, NULL, tskIDLE_PRIORITY, &xBALANCE_Task );
...
}
- vADC_DMATask
.. code-block:: prettyprint
void vADC_DMATask( void *pvParameters )
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
/**/
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA2_Stream0_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
/**/
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = ADC_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
for(;;);
}
- DMA2_Stream0_IRQHandler
.. code-block:: prettyprint
void DMA2_Stream0_IRQHandler(void)
{
if(DMA_GetITStatus(DMA2_Stream0, DMA_IT_TCIF0) != RESET) {
DMA_ClearITPendingBit(DMA2_Stream0, DMA_IT_TCIF0);
ADC1ConverTemp = ( ( ( ( ADC1ConverValue * 2960 ) / 4096 ) - 760 ) / ( 25 / 10 ) ) + 25;
}
}
Reference
=========
- `Analog-to-digital converter - Wikipedia, the free encyclopedia<http://en.wikipedia.org/wiki/Analog-to-digital_converter>`_
- `稀里糊塗學 STM32 - 第四講：白駒過隙</embedded/learn-stm32-part-4.pdf>`_
- `STM32F407xx Datasheet<http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/DM00037051.pdf >`_
- `STM32F407xx Reference Manual<https://www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fmeasure.feld.cvut.cz%2Fsystem%2Ffiles%2Ffiles%2Fcs%2Fvyuka%2Fpredmety%2FA4M38KRP%2FDM00031020.pdf&ei=Yd4tUrCbFIyZlQWy5IDAAw&usg=AFQjCNG98i1xkmhMAT5oY4owZfumzgq-3Q&sig2=BW3iz-5aJmyGhiu6HR32tA>`_
- `STM32™’s ADC modes and their applications<http://www.st.com/st-web-ui/static/active/cn/resource/technical/document/application_note/CD00258017.pdf>`_
共筆
=========
- `Hackpad link<https://embeddedsystemstudy.hackpad.com/ADC-zDGlbVKfA1D>`_
