单片机ADC机理层面详细分析（一）

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一、ADC硬件结构

结合之前分析的GPIO章节原理，我们继续深入理解ADC片上外设，也就是GPIO的模拟输入模式的使用。

因为我们一般使用ADC采集的是电压、电流、温度、湿度等模拟连续量，因此必须使用的GPIO的模拟输入功能。

这一块也就是之前GPIO章节说明的，如果哪个GPIO口有ADC功能，那么必定在该GPIO口实现了相关的硬件电路。不然没有对应的硬件基准电压或者电流，该GPIO怎么能知道现在输入的电压或者电流是多大，没有参考谈大小都是无意义的。这也是我们现实生活中会使用海平面作为基准的原因，大家都是用海平面，那么对比出来的高低才有意义，不然我说我很高，他说他很高，那衡量的标准不一样，数据又有什么意义，这是一种思想。

1.1 ADC硬件了解

言归正传：

GD32F303支持3个ADC：ADC0、ADC1和ADC2

1、可配置12位、10位、8位、或者6位分辨率;

2、自校准;

3、可编程采样时间;

4、数据寄存器可配置数据对齐方式

5、支持规则数据转换的DMA请求，减轻CPU的负载。

模拟输入通道:

1、16路外部模拟输入通道（ADC0、ADC1）

2、ADC0包含：

1路内部温度（只能测量单片机芯片的温度，并不能测量环境温度）1路内部参考电压输入通道(VREFINT)。

转换模式:

1、单次模式和连续模式;

2、扫描模式和间断模式:

3、同步模式(适用于具有两个或多个ADC的设备)

中断的产生:（转换完成产生转换标志，基于该标志可以产生相应的中断）

规则组或注入组转换结束

ADC供电要求:2.6V到3.6V，一般电源电压为3.3V

ADC参考电压：

VREFP参考正电压连接到VDDAVREFN参考负电压连接到VSSA

所以对于模拟输入通道信号源的输入电压范围就是0到3.3V。

以ADC0为例：

1、GPIO后面的16

• 表示：有16个模拟信号输入通道，使用GPIO口复用。

• 另外还有上面说的两个内部温度输入通道和参考电压输入通道。

2、触发启动

• AD进行转换之前，需要有一个外部触发源进行触发。

• 给一个采集信号，该触发源信号可以来自：定时器（ms、s级采集一次）、EXTI外部中断也可以触发、软件触发。

• 其中外部中断举个例子：在本人项目开发中，有一次使用到外部中断采集某霍尔元器件信号，就是当该霍尔元器件没有触发的时候电平一直是高电平，让碰触到该霍尔元器件的时候输出为低电平，那么使用该信号端连接芯片的某个支持外部中断的GPIO口，我们可以通过该GPIO采集下降沿，从而知道霍尔元器件动作了，此时会产生一个下降沿外部中断信号，那么我们可以利用这个信号开启对应的ADC采集信号。也说明在某种想知道外界状态的时候，我们要善于使用外部中断，学会将知道的知识应用到实际的问题中。

时钟最大是40MHZ，暂时不理解时钟的使用方法。

3、AD转换器内部

• 包含规则组和注入组。

• 规则组：理解为程序主流程。

• 注入组：理解为程序中断，注入组可以打断规则组转换。当执行完注入组的采集转换以后在接着进行规则组的转换。

• 一般使用规则组就行。

• 对于规则组16个通道共用一个数据寄存器。而注入组转换对应有4个数据寄存器。

• 数据完成就放入到AD数据寄存器，并且转换以后会产生一个标志，进而产生中断。

4、关于中断的配置

• 单片机片上外设内部会有一个中断输出控制，需要进行配置

• 另外一个就是内核里面的NVIC，例如定时器的中断、NVIC中断等。相当于是一个是内部，一个是外部的。或者认为用什么就需要配置什么中断。

1.2 ADC组别与GPIO关系

通过该图就可以看出来，芯片不同的引脚对应不同的ADC组别，与上面介绍的ADC0、ADC1、ADC2互相印证。可以看出不同的组别包含的GPIO端口是不一样的，但是有些部分是共用的，在啰嗦一句，该芯片也只能使用使用这些GPIO作为ADC转换，其他的端口你就是想用也用不了，这是因为芯片内部的是没有硬件电路支持的。

其实这里有一个疑问：就是为什么相同的一个GPIO会被分到不同的组别，这样做有什么意义吗？

1.2.1 信号冗余与系统可靠性提升​

1. ​故障容错机制​

   • 若某一ADC模块（如ADC0）因干扰或硬件故障失效，其他ADC（如ADC1/2）可继续采集同一信号源的数据（例如PA0引脚的电压），确保关键数据不丢失。

   • 应用场景：工业控制、医疗设备等对稳定性要求极高的系统。

1.2.2 多维度同步采样与分析​

1. ​同步测量需求​

   • ​严格时对齐采样​：多个ADC可通过硬件触发同时采集同一GPIO信号，消除时间漂移误差。

   • ​应用实例​：

     • 电机控制中三相电流的瞬时同步采样，计算功率因数和谐波分量。

     • 音频系统的多声道同步采集，避免相位失真。

2. ​差异化采样配置​

   • 不同ADC可独立设置采样率/分辨率（如ADC0以100ksps高速采样，ADC1以16位高精度采样），从同一信号中提取不同维度的特征。针对这里类比图像处理中不同维度的特征图，例如浅层特征、中层特征、以及深层次特征。

   • 应用实例：电池管理系统（BMS）中同时监测电池电压的快速波动（高速ADC）与长期缓慢变化（高精度ADC）。

1.2.3 校准与诊断增强

• 交叉验证机制​

  • 多个ADC同时采集同一信号，对比结果差异可实时诊断ADC的精度偏移（如温漂或老化），触发自动校准。

  • 案例：高精度电子秤中通过ADC1和ADC2的数据差异判断传感器异常。

• ​在线噪声分析​

  • 比较多个ADC对同一信号的采样结果，分离系统噪声（如电源纹波）与信号真实波动。

1.2.4 系统级优化与灵活性

• 硬件设计简化​

  • ​减少引脚复用冲突​：相同的GPIO映射允许设计师用单一路由走线连接到多个ADC输入，简化PCB布局。

  • ​节省外部多路复用器​：无需额外芯片扩展ADC通道，降低成本与复杂度。

• ​动态资源调配​

  • 在任务调度中，可根据负载将同一信号分配给空闲ADC处理，实现负载均衡（如ADC0满负荷时由ADC1接管）

关于 1.2.4 这个作用其实不太理解，因为实际的例子作为自己的支撑理解。

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以GD32F303为例，就是说我可以同时开启ADC0和ADC1，对GIPO口 PA0进行同步转换，并用两个数组分别存储结果。

1. ​冗余备份系统​

   • 航天设备中同时用ADC0/ADC1采集同一传感器数据，投票机制提升可靠性。

2. ​差分噪声分析​

   • 对比两个ADC结果差值，分离系统噪声（如电源纹波）与信号真实波动。

3. ​同步多速率采样​

   • ADC0低速采样监测长期趋势，ADC1高速捕捉瞬态脉冲（如电源故障检测）。

1.3 ADC转换模式

单次模式：的意思是每次转换，都需要外部触发，也就是给一个信号。

连续模式：就是在最开始的时候给出一个外部触发信号，后续就自动完成触发。

扫描模式：如果是多个通道，肯能就需要扫描模式，这样每个都能采集到。一个ADC对应多个通道，

同步模式：有时候可能需要多个ADC之间配合使用，就能用到同步模式。一般情况不需要多个ADC配合使用。例如在某个阶段需要同时使用ADC0、ADC1、ADC2互相配合，在阶段1使用ADC0、阶段二使用ADC1、阶段三使用ADC2，ADC0的数据是运行ADC1数据的基础，差不多就是这个意思，这种情况很复杂，暂时还不需要，只需要了解可能有这种场景就行。

一般情况都是单独使用某个ADC。

1.3.1 单次转换非扫描模式

以规则组为例：

一定要注意规则组16个序列是共用一个AD数据寄存器。

规则组有一个转换序列，一共有16个序列，每个序列存放对应的通道，通道就理解为采集的信号来源，例如我现在使用的是PA0，那么我既可以把PAO这个通道放到任何一个没有使用的序列。其实这个序列个数就是对应的同时最多该序列个数的采集通道。例如ADC0，就包含16个通道，那么刚好对应的就是16个序列。

也就是在配置的时候我们必须将对应的通道配置某一个序列，不然无法完成有效采集数据。这是GD32F303的ADC配置要求。

单词转换，是每转换一次，需要触发源触发。可以理解为传感器1S采集一次数据，这个1S就是触发源。

转换完成以后会有一个EOC标志位，然后我们就根据这个标志位去除数据寄存器的数据，然后等待下一次触发源的到来。

连续模式就不需要每次触发，只需要触发一次就行了。

转换完成以后会有一个EOC标志位，然后我们就根据这个标志位去除数据寄存器的数据，然后自动的进行下一次转换。

1.3.2 单次转换扫描转换

就是相当于是多个通道，但是都是在一个ADC，全部转换完成以后，才会产生一个标志位。这里就是前面说的，一个ADC完成多个引脚数据的采集，例如一个ADC组一个引脚采集1号位置电压、一个引脚采集二号位置电压等，可以简单这么理解。

单个通道转换完成以后会将数据放置AD数据寄存器里面，但是还不会产生EOC标志位， 必须要全部转换完成才能产生EOC标志位。

下一次转换，同样需要外部触发源触发。只要是单次，每转换一次都是需要一个触发源的，没有触发源我就不会采集转换。

存在的问题：

但是规则组只有一个数据寄存器，五个通道意味着，如果主流程来不及处理读取这个数据寄存器里面的数据，那么就会导致数据被覆盖掉，这样情况一定会存在的。

因此我们就需要用DMA进行处理，不需要经过CPU，不需要经过主循环。直接就从寄存器取走，然后存在数组中（也就是内存。）

这里就需要声明五个数组（因为五个通道，所以必须要五个数组），每个通道转换的结果，使用DMA立即取出，这样就不会出现覆盖，每一个通道的数据存放在对应的数组。

这里存在一个问题：就是我们怎么知道每一个通道完成了AD转换？

通道与通道转换的间隔理论上是触发DMA搬移数据的关键。
而EOC的标志位只是作为本次全部通道扫描完成的标志位，并且下一次开始也需要下一次触发源。

扫描模式就是只需要第一次给一个中断触发源，后续每一次都不需要触发源了，都是自动完成的。其他的道理是跟前面保持一致的。

1.4 ADC规则组和注入组

就像中断一样，中断可以打断主程序，那么注入组是可以打断规则组的转换。

注入组最多只能是四个序列，说白了这个地方个人理解是避免太多，导致嵌套太深图影响精度还容易爆炸。毕竟中断也不是无限的。

运行逻辑和中断打断主程序的流程是一样的，打断以后还必须恢复到规则组的被打断的地方。具体的实现一定要按照官方的Demo历程。

规则组：就是主循环

注入组：就是中断

一般注入组很少使用，基本上都是规则组就足够了。

官方Demo历程很关键，很重要！！！！！！ 一定要参考，避免出现一些奇奇怪怪的Bug。

1.5 触发控制

以ADC0和ADC1为例：

可以通过定时器0设置不同的时间来开启触发源。

这个地方不同的芯片有不同的区别，并且这些是规定好的，必须要也只能这样用，个人理解是跟芯片内部封装实现有关。

外部中断也可以。

一般使用软件触发较多，配置寄存器里面的某一位，然后实现触发源，这个地方不是太理解。

​ADC 外部触发源（ETSRC）的配置表，​软件触发（SWRCST）​​ 是指通过直接写寄存器的方式启动 ADC 转换的过程，无需依赖外部硬件信号（如定时器或 GPIO 中断）。

• 当将 ADC 的触发源寄存器 ​**ETSRC[2:0] 设置为 111**​（对应SWRCST选项）时，ADC 的转换启动权完全交给软件控制。

• ​软件触发标志位​：当向 ADC 的 ​**SWRCST 位写入 1**​ 时，立即启动一次转换流程（类似"手动点火"）。

• 写入 SWRCST=1 后，ADC 内部逻辑：

  1️⃣ 清空当前转换状态（若有未完成转换则终止）

  2️⃣ 复位采样保持电路

  3️⃣ 开始采样指定通道电压

  4️⃣ 完成采样后启动 AD 转换

• 转换完成后，​EOC（转换结束标志）被置位，可读取结果数据。

​特性​	​软件触发 (SWRCST)​​	​硬件触发 (如 TIMER0)​​
​启动信号源​	写寄存器 SWRCST=1	硬件事件（如定时器溢出、GPIO边沿）
​精度控制​	由软件执行时机决定	硬件精准同步（误差±10ns）
​适用场景​	非周期/低频采样（如按键触发）	高速/周期采样（如电机闭环控制）
​CPU 参与度​	需主动触发	自动触发（CPU仅需读数据）

• 实时性约束​：

  • 软件触发不适合高精度定时场景​（如写寄存器到实际采样存在数十个时钟周期延迟）。

  • 若需严格定时采样，改用 ​TIMER 触发​（如配置 ETSRC[2:0]=000 由 TIMER0 驱动）。

• ​避免重复触发​：

  • 一次 SWRCST=1 仅启动 ​单次转换，若需连续转换需循环写入（或结合 DMA 连续传输）。
    ​
    典型应用场景：

1. ​低功耗传感器轮询​

   • 每 5 分钟唤醒 MCU，通过软件触发 ADC 读取温度传感器值。

2. ​事件驱动采集
   ​

   • 按键按下后触发 ADC 读取电池电压。

3. ​动态配置多通道
   ​

   • 循环切换 ADC 通道并触发转换（无需固定扫描序列）。

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