在電子電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）是極為關(guān)鍵的元件，它能夠?qū)⒛M信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而便于微控制器進(jìn)行處理。STM32 微控制器內(nèi)置的 ADC 具有重要的應(yīng)用價(jià)值，然而很多使用者在長(zhǎng)期使用過程中，并未深入了解其內(nèi)部原理以及如何獲得最佳精度。今天，我們將基于 ST 的官方文檔，為大家詳細(xì)整理分享 STM32 的 ADC 實(shí)現(xiàn)采樣的相關(guān)知識(shí)。

SAR ADC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

STM32 微控制器中內(nèi)置的 ADC 采用了逐次逼近寄存器（SAR）原則，分多步執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作。轉(zhuǎn)換步驟的數(shù)量與 ADC 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)相等，每個(gè)步驟都由 ADC 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，且每個(gè) ADC 時(shí)鐘會(huì)從結(jié)果到輸出產(chǎn)生一位。其內(nèi)部設(shè)計(jì)基于切換電容技術(shù)。
下面我們通過一個(gè) 10 位 ADC 示例，來詳細(xì)介紹 SAR 切換電容 ADC 的基本原理，同時(shí)給出帶數(shù)字輸出的 ADC 基本原理圖。

采樣狀態(tài)

在采樣狀態(tài)下，電容會(huì)充電至輸入電壓 VIN。具體操作是，開關(guān) Sa 切換至 VIN，并且在采樣期間，開關(guān) Sb 閉合。這樣，電容就能夠獲取輸入電壓的值。

保持狀態(tài)

當(dāng)進(jìn)入保持狀態(tài)時(shí)，輸入被斷開，電容將保持之前采樣得到的輸入電壓。此時(shí)，開關(guān) Sb 打開，然后開關(guān) S1 - S11 切換至接地，同時(shí)開關(guān) Sa 切換至參考電壓 VREF。

逐次逼近過程

1. 第一個(gè)逼近步驟：開關(guān) S1 切換至參考電壓 VREF，此時(shí)將輸入電壓 VIN 與 VREF/2 進(jìn)行比較。
   
2. 后續(xù)比較步驟
   • 如果最高有效位（MSB）為 0，那么接下來將與 ?VREF 進(jìn)行比較，同時(shí)開關(guān) S1 切換回接地，開關(guān) S2 切換至 VREF。
     
   • 如果最高有效位（MSB）為 1，那么接下來將與 ?VREF 進(jìn)行比較，開關(guān) S1 保持接地，開關(guān) S2 切換至 VREF。
     

后續(xù)將重復(fù)上述步驟，直到得到最低有效位（LSB）為止。我們可以簡(jiǎn)單地將這個(gè)過程理解為二分法，即逐次進(jìn)行輸入電壓與參考電壓的比較。首次是與 VREF/2 進(jìn)行比較，后續(xù)的比較則根據(jù)上次的比較結(jié)果來決定。如果 MSB = 1，則與 ?VREF 比較；如果 MSB = 0，則與 ?VREF 比較。之后還會(huì)依次決定與 1/8VREF、3/8VREF、5/8VREF、7/8VREF 之一進(jìn)行比較，如此循環(huán)，直到輸出最低有效位。