Introduction To ADC

基本概念

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。

• 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。

ADC的規格

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

• 以一個解析度為n bits的ADC來說，其轉換公式如下

ConvertedVoltage = ConvertedValue * Vref / (2 ^ n - 1);

其中Vref為參考電壓，通常介於VDD與VSS之間。

欲轉換的訊號電壓不可以高過Vref。

如果不再0 ~ Vref 的範圍內

1. 可以考慮使用分壓器來處理，但必須注意輸入阻抗與輸出阻抗之匹配問題。
2. 使用交流變壓器，使用條件為交流訊號。

如果要轉換的電壓變化太小欲放大，則可以使用 OP Amplifier 之電路來做放大。

其使用原理為利用 OPA 虛短路之特性來調整輸出電壓與輸入電壓之關係。

1.反相放大電路(Vo = - A * Vin)

2.正相放大電路(Vo = A * Vin)

Sampling Theorem

對於一個連續訊號取樣的時候，會參考Sampling Theorem定最低取樣頻率。

Nyquist–Shannon sampling theorem 說明了當取樣頻率為原訊號之最高頻率之兩倍時，才可以正確的重建原始訊號

2015-embedded-Team6 解說證明:ADC - Sampling Theorem

• 證明：

但是通常會使用OverSampling，用遠高於 2f 的頻率來取樣，提升訊號的品質。

Youtube 解說： https://www.youtube.com/watch?v=vbjC-aCmMUM

https://www.youtube.com/watch?v=saFTvnIVeEY

https://www.youtube.com/watch?v=Gu8x_k54tq0

jolly Good

STM32F4xx OnChip ADC 介紹

簡介

• 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都在APB2上面
• ADC使用獨立電源，VDDA、VSSA，並且需要提供參考電壓Vref(VDDA > Vref > 1.8V)
• 在不同的VDDA下面，其取樣時間會有所差異
  • 2.4V <= VDDA <= VDD for Full Speed
  • 1.8 <= VDDA <= VDD for Reduced Speed
• 在DISCO板子上面，VRef = VDDA = VDD = 2.95V (3V)
• 這一塊晶片使用Successive approximation ADC，運作模式是使用DAC生成不同的電壓，來跟輸入比較，來測量輸入的值。

Successive approximation ADC

這一種ADC由一個DAC與電壓比較器組成 轉換時會由邏輯電路迭代，依序由MSB往LSB更改DAC的輸出電壓。

流程：

• 由MSB開始
• 啟動DAC的第n bit
• 將輸入的訊號與DAC的輸出做比較，若輸入訊號較大，則設定輸出的第n bit為HIGH，並保留DAC上面的設定，反之若較小，清除DAC的第n bit，ADC輸出的第n bit設為LOW
• 由這一個狀態迭代至LSB為止

ADC Block Diagram

1. Analog MUX 類比多工器：

將多個訊號源連接至 ADC(也就是ADC上的channel), 可在上圖中的左側看到有 16 組外部輸入 (ADCx_IN0~15)與兩組內部輸入, 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 group, 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。(可往下參考 ADC mode)

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)

/* 將GPIO轉為類比用途 */
GPIO_initStructre.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;

Refer to GPIO Presentation

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。

6. Analog PreScalar：

ADC都在APB2上面，Clock來自APB2，頻率為

ADC Clock = APB2 Clock / Analog PreScalar;

ADC Unit & External Channel Bus Connections

STM32F4xx Internal Channel

• 我們所使用的

  • STM32F407 Discovery其溫度感測器連接到ADC1_IN16 channel
  • STM32F429 Discovery其溫度感測器連接到ADC1_IN18 channel

• TSVREFE bit 必需要設為enable，讓 ADC1_IN16 和 ADC1_IN17 (VREFINT)可以運作

• 在F42x上面VBAT與VREFINT共用同一個Channel，需選擇要對誰做Sampling

• 設定TSVREFE bit，參考下圖

STM32F4xx ADC Control

• 可設 ADON 打開ADC電源，重設來關掉電源
• 可使用SWSTART/JSWSTART開始ADC的轉換
• 版子上共有 3 組ADC, 可測量 16 個外部訊號源和 兩個(F407) / 三個（F429）內部訊號源。每個外部訊號源對應一個通道。

• 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。
• 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之轉換時間

Timing Diagram

Tconv（Total Conversion Time） = Sampling time + N Cycles - N = 12 cycles (12 bits resolution) - N = 10 cycles (10 bits resolution) - N = 8 cycles (8 bits resolution) - N = 6 cycles (6 bits resolution)

由於是Successive Approximation ADC 所以有n bits就需要n的cycle來迭代，可參考上面的Successive Approximation ADC說明

• Sampling time

  • ADCCLK cycles that can be modified using the SMP[2:0] bits in the ADC_SMPR1 and ADC_SMPR2 registers
  • Each channel can be sampled with a different sampling time.
  • Sample Time = [3 - 480] cycles

• Example:

  • With ADCCLK = 30 MHz and sampling time = 3 cycles:

  • Tconv = 3 + 12 = 15 cycles = 0.5 µs with APB2 at 60 MHz

ADC的轉換速度範圍

不一定，隨著條件而變，Sample Time跟温度以及内部電路的rc有關

對於12-bits Resolution而言

Tconv = Sample Time + 12 cycles ( 12-bits resolution <參考上節 12bits部分> )
Sample Time = [3 - 480] cycles
Total conversion time = [0.50 - 16.40] µs，with ADCCLK = 30MHz.

Refer from: STM32F4xx Datasheet P125

ADC Max Sampling Rate & BandWidth

在ADC Clock = 30Mhz、12-bits Resolution的情況下，最小的Sampling Time可以達成0.5us一個Sample

所以

Sampling Rate = 1 / (0.5 * 10^(-6)) = 2Msp/s

由取樣定理可以知道，這樣等效的BandWidth為Sampling Rate的一半，即1MHz

ADC Clock 最大可容忍頻率

在Datasheet中，因為DISCO的參考電壓VREF為VDD為2.97V，故ADC Clock Frequency為[0.6-36]MHz。

Refer from: STM32F4xx Datasheet P124

• 舉例來說，下面的初始化即為把SMP10[2:0]這三個bit設為001

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_10, 1, ADC_SampleTime_15Cycles);

ADC mode

• Independent-mode 和 Multi-mode (Dual-mode or Triple-mode)

  • Independent mode 表示此 ADC 獨立運作。

  • multi-mode 表示ADC同時合作執行。

Independent mode

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。

Regular group

• 會依序被轉換，但順序可自由配置，最多 16 個 (由ADC_SQRx 暫存器來控制順序)。

• 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(連續轉換、單複數通道)，組合出四種模式：

  • 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 避免資料遺失。

• DMA: 每個通道轉換完成都發出一個 DMA request, 可設定為每當 DMA 發生就觸發一次中斷，即可讀出每個通道所轉換的值，也可以全部轉換後一次讀取全部通道的值。

• 好處是可以節省CPU的負擔，不用在轉換過程中中斷ADC而去使用不同的取樣時間對下一個通道做轉換(透過ADC_SMPRx 暫存器設定)。

5.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。 (透過 ADC_CR1 register 中的DISCNUM[2:0] 去設定)

• 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, 6, 7, 8} 舉例：

  • 1st 觸發，轉換 {1, 2, 3}.

  • 2nd 觸發，轉換 {4, 5, 6}.

  • 3rd 觸發，轉換 {7, 8}, 並因為 scan 結束而發 EOC 中斷。

  • 4th 觸發，轉換 {1, 2, 3}, 以此類推。

• 註：上例順序可以藉由設定暫存器改變順序，channel 不一定要按大小排列順序

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(Regular)通道則會暫停而先處理注入(Injected)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: 見regular group，但在 injected group 強迫每批只能一個通道(n=1)。

Multi Mode

有別於STM32F407，STM32F429可以將3個ADC都開成Multi Mode，也就是說原本Multi Mode只有Dual Mode，現在多了Triple Mode.

• ADC1, ADC2 ADC3分別擔任 master & 兩個slave.

• 可分為四種基本模式模式與Combined模式，每種又都有dual & triple mode

1.Injected simultaneous mode - 使用JEXTSEL[3:0] bits 選擇外部觸發源

Dual Mode:

• 兩個 ADCs 同時觸發而轉換 injected groups.

Triple Mode:

• 三個 ADCs 同時觸發而轉換 injected groups.

2.Regular simultaneous mode

• 使用EXTSEL[3:0] bits 選擇外部觸發源

Dual Mode:

• 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。

Triple Mode:

• 以上兩者的差別在於不同的group (Injected 、 Regular)

3.Interleaved mode

• 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.

• 只能用在 regular groups，通常針對一個通道使用。

Dual Mode:

Triple Mode:

• 又分為 fast / slow interleaved mode

  • fast：藉由兩個以上的ADC交互對同一個通道取樣，可以縮減到7 個cycle就取樣一次

  • slow：假設在訊號頻率的限制下，為了使R_AIN (External input impedance)符合要求，特別延長了取樣的週期間隔。又依照datasheet 上R_AIN的公式算法，可以知道可容忍的R_AIN會變大。

4.Alternate trigger mode

• 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.

• 在fast interleaved mode 最快同一個通道要7 個cycle就取樣一次，而在這個模式下“不同通道”可以在1.5個ADC cycle的間隔就取樣一次

• 應用在馬達的控制上，PWM的duty cycle可以最大化，在最短時間內再次驅動馬達

Dual Mode:

Triple Mode:

Combined mode

• Injected simultaneous mode + Regular simultaneous mode
  • 在執行regular group轉換時可被injected group中斷
• Regular simultaneous mode + Alternate trigger mode
  • injected 事件會在每次trigger 後馬上執行
  • 若有regular 正在轉換，為了同步性，所有(master/slave) ADC都會停下來等injected 事件做完才重新開始
• Injected simultaneous + Interleaved mode
  • 2個 ADC對同一個通道做 interleaved 轉換，而在事件觸發後，2個ADC可以針對各自設定的通道做取樣
  • 用在 UPS system
    • 2個ADC對ADC watchdog作轉換監控，並且定時對power consumption作測量(一個量電壓、一個量電流)

詳細可參考STM32’s ADC modesand their applications、STM32F407xx Reference Manual

STM32F4xx Internal Temperature Sensor

• 須先設定TSVREFINT Bit才可使用
• 由於啟動Temperature Sensor需要時間（waking from power down mode），啟動ADC也需要時間（startup time after power-on），因此在設定時同時對兩個做設定才能達到最快的取樣速度。
• Datasheet有提到，內建的溫度感測器適合用來測量溫度的變化，不適合用來得到精準的溫度值。
• 文件皆未提到其實做材料與方法，尤其特性推測為一熱電偶，原理是當導體加熱時會產生熱電效應，產生一個電動勢，就由測量這個電動勢變化，就可以線性推測它的溫度。
• 由於每顆晶元製成時的差異，其熱電偶堆的offset會不同，官方在memory有存放3.3V時25度C與110度C的實際測量校準值，可以拿來做offset校準使用。

ADC Temperature Measurement

溫度測量公式如下

ConvertedVoltage = ConvertedValue*VDD/4095;
ConverTemp= ((((ConverValue*VDD)/4095)-V25)/Slope + 25;

溫度的範圍

STM32F4xx Reference Manual 在 10.10 Temperature sensor 中提到

Supported temperature range: –40 to 125 °C, Precision: ±1.5 °C。

設定的方法只要

ADC_TempSensorVrefintCmd(ENABLE);

• 其實做如下：

void ADC_TempSensorVrefintCmd(FunctionalState NewState)
{
    /* Check the parameters */
    assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));
    if (NewState != DISABLE)
    {   
        /* Enable the temperature sensor and Vrefint channel*/
        ADC->CCR |= (uint32_t)ADC_CCR_TSVREFE;
    }   
    else
    {   
        /* Disable the temperature sensor and Vrefint channel*/
        ADC->CCR &= (uint32_t)(~ADC_CCR_TSVREFE);
    }   
}

使用Stm32F4xx的ADC

• ADC clock 來自 PCLK2 (APB2), 啟動 ADC 前須先設置好。

  • AHB for 記憶體

  • APB for 硬體周邊

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);

• ADC 可設 ADON 打開電源，重設來關掉電源

• 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。
• 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。

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。

Sample Code

• 以下Sample Code為使用ADC最基本之設定

void config_GPIO(){
 
    /* --------------------------- System Clocks Configuration -----------------*/
    RCC_ClocksTypeDef RCC_Clocks;
    RCC_GetClocksFreq(&RCC_Clocks);
    /* SysTick end of count event each 10ms */
    SysTick_Config(RCC_Clocks.HCLK_Frequency / 100);
    /* GPIOA clock enable */
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
    //Clock configuration for ADC 
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);//ADC1 is connected to APB2 peripheral bus
    
    /* --------------------------- GPIO input for ADC --------------------------- */
    GPIO_InitTypeDef GPIO_initStructre; //Structure for analog input pin
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1ENR_GPIOCEN, ENABLE);//Clock for the ADC port!! GPIOC pin10 for channel 10
    //Analog input pin configuration
    GPIO_initStructre.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;//The channel 10 is connected to PC0
    GPIO_initStructre.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN; //The PC0 pin is configured in analog mode
    GPIO_initStructre.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; //We don't need any pull up or pull down
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_initStructre);
}

/* --------------------------- ADC Configuration --------------------------- */
void config_ADC(){
 
    ADC_InitTypeDef ADC_init_structure; //Structure for adc confguration
 
    //ADC structure configuration
    ADC_DeInit(); //reset all parameters to their default values
    ADC_init_structure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; //converted data will be shifted to right
    ADC_init_structure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; //Input voltage is converted into a 12-bit number whose maximum value is 4095
    ADC_init_structure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; //the conversion is continuous, the input data is converted more than once
    ADC_init_structure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1; //use timer 1 capture/compare channel 1 for external trigger
    ADC_init_structure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; //no trigger for conversion
    ADC_init_structure.ADC_NbrOfConversion = 1; //Number of used ADC channels
    ADC_init_structure.ADC_ScanConvMode = DISABLE; //No scan (only one channel)
    ADC_Init(ADC1, &ADC_init_structure);
 
    // use channel 10 from ADC1, with sample time 144 cycles
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_10, 1, ADC_SampleTime_144Cycles);
 
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
}

• 以下Sample Code為使用DMA之ADC設定

• github

void ADC_Config(void)
{
    ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; // Structure for single-ADC configuration
    ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure; // Structure for inter-ADC configuration

    // Clock configuration
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE); // ADC1 is connected to APB2 peripheral bus
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1ENR_GPIOCEN, ENABLE); // Clock for the ADC port!! (do not forget it)

    // ADC structure configuration
    ADC_DeInit(); // Reset all parameters to their default values
    ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; // Input voltage is converted into a 12-bit number whose maximum value is 4095
    ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE; // No scan (only one channel)
    ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE; // the conversion is continuous (periodic)
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None; // no external trigger for conversion
    ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_CC1; // use timer 1 capture/compare channel 1 for external trigger (may be forced)
    ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; // converted data will be shifted to the right
    ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 2; // Number of used ADC channels
    ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);      

    // ADC common structure configuration
    ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent; // independent mode
    ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div4; // f(ADC3)=84/4=21MHz
    ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled; // disable DMA_MODE
    ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_5Cycles; // there are 5 clock cycles between 2 samplings
    ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);

    //Enable temperature sensor
    ADC_TempSensorVrefintCmd(ENABLE);

    // use channel 10 from ADC1, with sample time 15 cycles
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_10, 1, ADC_SampleTime_15Cycles);
    ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_16, 2, ADC_SampleTime_15Cycles);

    ADC_ITConfig(ADC1, ADC_IT_EOC, DISABLE); // not ready for interrupt
    
    ADC_DMARequestAfterLastTransferCmd(ADC1, ENABLE);

    ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);
    ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
}

void DMA_Config(){
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2, ENABLE);

    DMA_DeInit(DMA2_Stream4);
    DMA_StructInit(&DMA_InitStructure);
    DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_0;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t) ADC1_DR_Address;
    DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t) &ADCConvertedValues[0];

    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;

    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 2;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;

    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;

    DMA_Init(DMA2_Stream4, &DMA_InitStructure);
    DMA_Cmd(DMA2_Stream4, ENABLE);

    //DMA_ITConfig(DMA2_Stream4, DMA_IT_TC, ENABLE);
}

void NVIC_Config()
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    /* ADC interrupt configure */
    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);
}

void GPIO_Output_Config(void){
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  
    GPIO_PinAFConfig(GPIOE,
GPIO_PinSource3|GPIO_PinSource4|GPIO_PinSource5|GPIO_PinSource6|GPIO_PinSource7|GPIO_PinSource8|GPIO_PinSource9|GPIO_PinSource10|GPIO_PinSource11|GPIO_PinSource12|GPIO_PinSource13|GPIO_PinSource14|GPIO_PinSource15, GPIO_AF_TIM3);
  
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =   GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9|GPIO_Pin_10|GPIO_Pin_11|GPIO_Pin_12|GPIO_Pin_13|GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;            // Alt Function -   Push Pull
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    GPIO_Init( GPIOE, &GPIO_InitStructure ); 
}

void GPIO_Input_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // Set GPIO clock
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOC, ENABLE);
    GPIO_StructInit(&GPIO_InitStructure);

    //Analog input pin configuration
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;//The channel 10 is connected to PC0
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN; //The PC0 pin is configured in analog mode
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL; //We don't need any pull up or pull down
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
}

Demo、實驗

ADC + GPIO

https://www.youtube.com/watch?v=0gAe-xRgk-k

- 本實驗使用電源供應器產生1.9V的電壓當作輸入訊號

• 將所量測到的電壓通過轉換，驗證ADC之轉換公式之正確性

ADC + GPIO + Temperature Sensor

https://www.youtube.com/watch?v=gRxbnODggjc

• 本實驗用來測試stm32f4 discovery內建之溫度感測器是否隨著溫度上昇而改變轉換值

• 可以在影片中看到最左邊的led代表最小的bit，因此當溫度不斷升高，最後點亮了影片中最後亮起的右邊那個led燈

ADC + DAC

基本設置：使用8bit模式已提升速度，使用DMA將ADC資料讀入後再用DMA將資料速給DAC做輸出。

12bits vs 8 bits

使用不同的解析度對同一訊號做採樣，在reduplicate。

ADC與DAC使用的resolution是相同的

• 1. 12bits

• 2. 8 bits

Sampling Theorem、訊號 Aliasing

同ADC + DAC的配置

控制訊號產生器生成的訊號頻率，當平率高過1 / 2 Fs 的時候，輸出訊號除了失真，還發生了頻率改變，已與原本訊號不同。

• 1. 使用手控至訊號 http://youtu.be/QeFFO7ELrOk
• 2. 使用訊號產生器的Sweep功能 http://youtu.be/XtGuwkQhKzU
• 3. 使用訊號產生器的Sweep功能(X-Y Plot) http://youtu.be/fE0UFiybtD4

※X-Y Plot功能是將示波器的兩桿輸入分別作為X與Y軸的量，有別於一般V-t的作圖，對於訊號最常使用在產生Lissajous曲線。

Lissajous曲線可以看出兩個訊號的頻率、相位、強度差異。

假設目前有 Asin(aw + d) 與 Bsin(bw)兩個訊號 當a = b時，頻率相同，所以圖形將會是直線、橢圓或是正圓，端看d大小，參考下圖。

如果兩個訊號頻率不同，a != b，則圖形將會是圖形將不再是圓，而會是曲線，由此可以看出兩個訊號已經不相同

如果a/b是有理數，則圖形會有一定的形式。若有示波器的圖，可以透過查表可以知道兩個訊號的的比例。

Questions 2013

1. 說明如何決定取樣頻率，解釋 Nyquist–Shannon sampling theorem。

Nyquist–Shannon sampling theorem 說明了當取樣頻率為原訊號之最高頻率之兩倍時，才可以正確的重建原始訊號

• 證明：

2. 說明當所要量測之輸入訊號電壓範圍不在adc之接受範圍時該如何處理？

• 假設使用的ADC量測範圍是0~3V

• 如果超出範圍(EX:0~5V)：

  • 1.對於直流訊號來說分壓電路是最簡單的降壓方式，但必須注意輸入阻抗與輸出阻抗之匹配問題。

    • 由於 STM32 之手冊上說明 ADC 之輸入阻抗約為10k 因此我們外接分壓之電阻必須選用較小之電阻。

  • 2.有兩個電感的變壓電路是“交流變壓器”。

    • 變壓器之使用條件為交流電，變壓器通常使用在高功耗之輸配電系統。

  • 3.如果需要將輸入訊號放大，則可以使用 OPA 之電路來做放大。

  其使用原理為利用 OPA 虛短路之特性來調整輸出電壓與輸入電壓之關係。

1.反相放大電路

2.正相放大電路

3. 說明 ADC Block Diagram 之 Vrefint 與 TIM1_TRGO 是什麼？
   • VREFINT:
     • ADC之內部參考電壓
   • TIM1_TRGO:
     •  
4. 說明 ADC 之 calibration。
   • 由於ADC上面的電容可能並不是理論上的理想值，因此每次使用時必須量測現在ADC之電容之實際值，可以把這個實際值視為誤差，因此未來所量測的結果都必須使用這個誤差值作為基準點去比較，因此可以量到更加精確的轉換結果。

/* Enable ADC1 reset calibaration register */ 
ADC_ResetCalibration(ADC1);
/* Check the end of ADC1 reset calibration register */ 
while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1)); 
/* Start ADC1 calibaration */ 
ADC_StartCalibration(ADC1); 
/* Check the end of ADC1 calibration */ 
while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));
/* 完成 calibration 才能開始使用 */

5. 說明 ADC 之 Scan Mode 與 DMA 之關係。並畫流程圖。

   • 由於 Scan Mode 同時會對一組通道做轉換，並且在該組最後一個通道做完轉換後才產生中斷，因此使用 DMA 讓每次轉換後就直接產生 DMA 將資料寫到記憶體中，才不會造成資料遺失。官方的手冊對此做了以下解釋：

     Since converted regular channel values are stored into a unique data register, it is useful to use DMA for conversion of more than one regular channel. This avoids the loss of the data already stored in the ADC_DR register.

6. 說明測量溫度的方法

• 使用STM32內建的溫度感測器。

• 可以利用單一電阻的電阻會隨溫度上昇而增加電阻值來反推溫度。

  • 電阻隨溫度呈現性上昇

  • 可利用上面之特性搭配 ADC 來做溫度量測

7. 說明 EOC 等之術語。

   • EOC 即 End of Conversion （為 Regular Group 結束轉換時產生之中斷）

     • 當 ScanConvMode Disable 時（也就是 Regular Group 只有一個channel），每次轉換結束都會產生 EOC 中斷。

     • 當 ScanConvMode Enable 時，只有當所設定之 Regular Group 之最後一個 channel 完成轉換時才會產生 EOC。

   • JEOC 為 Injected Group 結束轉換時產生之中斷。

   • AWD 為 analog watch dog 所產生之中斷。

8. 說明為何 sample code 中的 DMA 使用 stream4 channel_0?

   • 參考手冊表格如下：

Questions 2012

• 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 。

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。

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…。

STM32F407xx Reference Manual 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 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 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 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

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

  

  • 2.ExternalTrigConv

  

• 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。

Reference

• Analog-to-digital converter - Wikipedia, the free encyclopedia

• 稀里糊塗學 STM32 - 第四講：白駒過隙

• STM32F407xx Datasheet

• STM32F407xx Reference Manual

• STM32™’s ADC modes and their applications

• stm32學習筆記

• PCM Introdution

• 頻寬與取樣速率

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