項目七芯片溫度和直流電壓信號檢測設(shè)計【知識目標(biāo)】掌握AD轉(zhuǎn)換的功能與常用AD轉(zhuǎn)換方法；了解AD轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)參數(shù)；掌握STM32F407ZGT6的AD轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)與功能；掌握STM32F407ZGT6溫度傳感器結(jié)構(gòu)；了解標(biāo)準(zhǔn)庫AD轉(zhuǎn)換的功能函數(shù)功能。

【能力目標(biāo)】掌握STM32F407ZGT6AD轉(zhuǎn)換的參數(shù)設(shè)置；能夠使用標(biāo)準(zhǔn)庫完成AD轉(zhuǎn)換的初始化設(shè)置；能夠使用AD轉(zhuǎn)換功能完成傳感器的數(shù)據(jù)檢測與轉(zhuǎn)換?！舅刭|(zhì)目標(biāo)】培養(yǎng)規(guī)范化程序設(shè)計習(xí)慣；培養(yǎng)分析問題解決問題的能力；培養(yǎng)閱讀設(shè)計文檔資料的能力。項目七芯片溫度和直流電壓信號檢測設(shè)計任務(wù)7.1AD轉(zhuǎn)換功能介紹任務(wù)7.2STM32F407ZGT6的AD功能任務(wù)7.3

AD轉(zhuǎn)換讀取芯片內(nèi)部溫度任務(wù)7.4

數(shù)電電壓表設(shè)計1.AD轉(zhuǎn)換器的分類2.AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)任務(wù)7.1AD轉(zhuǎn)換功能介紹1.AD轉(zhuǎn)換器的分類常用的AD轉(zhuǎn)換類型分有:積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。1）積分型

積分型AD轉(zhuǎn)換的工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率)，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。優(yōu)點(diǎn):用簡單電路就能獲得高分辨率；缺點(diǎn):轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，轉(zhuǎn)換速率極低。1.AD轉(zhuǎn)換器的分類2）逐次比較型

逐次比較型AD轉(zhuǎn)換由一個比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始,順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值，其電路規(guī)模屬于中等；。優(yōu)點(diǎn):：速度較快、功耗低、低分辯率產(chǎn)品價格便宜。缺點(diǎn)：高精度產(chǎn)品價格昂貴。1.AD轉(zhuǎn)換器的分類3）并行比較型

并行比較型AD轉(zhuǎn)換采用多個比較器,僅作一次比較而實行轉(zhuǎn)換,又稱FLash(快速)型。優(yōu)點(diǎn)：速度快；缺點(diǎn)：電路規(guī)模極大，價格昂貴。1.AD轉(zhuǎn)換器的分類4）串并行比較型AD轉(zhuǎn)換

串并行比較型AD轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間,最典型的是由2個n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成,用兩次比較實行轉(zhuǎn)換,所以稱為Halfflash(半快速)型。優(yōu)點(diǎn)：AD速度比逐次比較型高,電路規(guī)模比并行型小；缺點(diǎn)：價格昂貴。1.AD轉(zhuǎn)換器的分類5）Σ-Δ調(diào)制型

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型,將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時間(脈沖寬度)信號,用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分容易單片化,因此容易做到高分辨率，主要用于音頻和測量。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換精度高，價格低廉；缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢。2.AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1）分辨率(Resolution)分辯率是指數(shù)字量變化一個最小量時模擬信號的變化量,定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號的位數(shù)來表示，如8位AD，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)值范圍為0~255。2.AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2）轉(zhuǎn)換率(ConversionRate)轉(zhuǎn)換速率是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級。采樣時間則是另外一個概念,是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。

為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(SampleRate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率，常用單位是ksps和Msps。2.AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)3）量化誤差

量化誤差是由于AD轉(zhuǎn)換的有限分辯率而引起的誤差,即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率AD轉(zhuǎn)換(理想AD)的轉(zhuǎn)移特性曲線(直線)之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量,表示為1LSB、1/2LSB。4）偏移誤差(OffsetError)

偏移誤差輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。2.AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)5）滿刻度誤差(FullScaleError)

滿刻度誤差滿度輸出時對應(yīng)的輸入信號與理想輸入信號值之差。4）線性度(Linearity)

線性度(實際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性2.STM32F407ZGT6的轉(zhuǎn)換通道任務(wù)7.2STM32F407ZGT6的AD功能1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性

STM32F407ZGT6單片機(jī)內(nèi)部的12位ADC是逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器;內(nèi)部包括最多可以有19個復(fù)用通道，可測量16個外部信號源（ADCx_IN0-ADCx_IN15）、1個內(nèi)部溫度傳感器、1個內(nèi)部參考電壓源、1個VBAT的通道信號;1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性A/D轉(zhuǎn)換可以采用單次、連續(xù)、掃描或不連續(xù)采樣模式：單次：在單次轉(zhuǎn)換模式下，每次觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換則ADC執(zhí)行一次轉(zhuǎn)換；連續(xù)：CONT位為1時，ADC則為連續(xù)工作模式，在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換后，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后新的一個轉(zhuǎn)換立即啟動；掃描：通過將ADC_CR1寄存器中的SCAN位置1來選擇掃描模式。在掃描模式下，每次轉(zhuǎn)換將依次按被選定的通道順序完成AD轉(zhuǎn)換。1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性ADC的結(jié)果存儲在一個16位數(shù)據(jù)寄存器中,可以設(shè)置左對齊或右對齊：12位數(shù)據(jù)的右對齊12位數(shù)據(jù)的左對齊1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性ADC具有模擬看門狗特性，如果ADC轉(zhuǎn)換的模擬電壓低于閾值下限或高于閾值上限，則AWD模擬看門狗狀態(tài)位會置1。可以使用ADC_CR1寄存器中的AWDIE位使能中斷。1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性ADC可配置為12位、10位、8位或6位分辨率;可獨(dú)立設(shè)置各通道采樣時間、外部觸發(fā)器選項，可以配置規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換；ADC轉(zhuǎn)換全速運(yùn)行時電源電壓的范圍為2.4V-3.6V，慢速運(yùn)行時電源電壓可以配置為1.8V；1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性ADC轉(zhuǎn)換的輸入模擬信號的范圍為:VREF--VREF+。1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性規(guī)則通道轉(zhuǎn)換期間可產(chǎn)生DMA請求;ADC最大的轉(zhuǎn)換速率為2.4MHz，ADC的時鐘不要超過36MHz。時鐘來自于經(jīng)可編程預(yù)分頻器分頻的APB2時鐘，該預(yù)分頻器允許ADC在APB2時鐘的/2、/4、/6或/8下工作。RCCAPB2通過外設(shè)時鐘使能寄存器(RCC_APB2ENR)使能后，分別為每個ADC提供時鐘信號。1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性規(guī)則通道組最多包含16個規(guī)則轉(zhuǎn)換通道，注入通道組最多包含4個通道：16條復(fù)用通道可以將轉(zhuǎn)換分為兩組：規(guī)則轉(zhuǎn)換和注入轉(zhuǎn)換。每個組包含一個轉(zhuǎn)換序列，該序列可按任意順序在任意通道上完成；一個規(guī)則轉(zhuǎn)換組最多由16個轉(zhuǎn)換構(gòu)成規(guī)則轉(zhuǎn)換組中的轉(zhuǎn)換總數(shù)必須寫入ADC_SQR1寄存器中的L[3:0]位。一個注入轉(zhuǎn)換組最多由4個轉(zhuǎn)換構(gòu)成ADC_JSQR寄存器中選擇轉(zhuǎn)換序列的注入通道及其順序。1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性外部觸發(fā)啟動（適用于規(guī)則通道和注入通道）可以通過外部事件（例如，定時器捕獲、EXTI中斷線）觸發(fā)轉(zhuǎn)換。規(guī)則通道的外部觸發(fā)注入通道的外部觸發(fā)1.STM32F407ZGT6單片機(jī)AD特性ADC中斷

AD中斷包括規(guī)則通道轉(zhuǎn)換結(jié)束、注入通道轉(zhuǎn)換結(jié)束、模擬看門口置位、數(shù)據(jù)溢出，可以使用單獨(dú)的中斷使能位來配置需要使用的中斷方式。2.STM32F407ZGT6的轉(zhuǎn)換通道AD電路結(jié)構(gòu)圖2.STM32F407ZGT6的轉(zhuǎn)換通道1）16個外部源（ADCx_IN0-ADCx_IN15）2）一個內(nèi)部溫度傳感器；3）一個內(nèi)部參考源；4）VBAT的通道的信號；任務(wù)7.3AD轉(zhuǎn)換讀取芯片內(nèi)部溫度1.STM32內(nèi)部溫度傳感器2.STM32內(nèi)部溫度傳感器的溫度檢測設(shè)計1.STM32內(nèi)部溫度傳感器STM32F407ZGT6單片機(jī)內(nèi)部溫度傳感器和通道ADC1_IN16相連接，內(nèi)部溫度傳感器的輸出電壓在1.8V-3.6V之間隨著溫度成線性變化，溫度傳感器在25攝氏度時輸出電壓為0.76V，溫度每變化1攝氏度則電壓變化2.5mV，對溫度傳感器的推薦的采樣時間最短為17.1us。溫度傳感器的檢測溫度值計算公式為：

溫度(°C)=（(VSENSE-V25)/Avg_Slope）+25V25為25攝氏度時的溫度傳感器輸出電壓（0.76V）VSENSE時為當(dāng)前溫度下溫度傳感器輸出的電壓值A(chǔ)vg_Slope為溫度傳感器輸出電壓與溫度變得比率，對應(yīng)值為2.5mV/°C。讀取溫度傳感器的操作步驟如下：設(shè)置AD轉(zhuǎn)換通道為ADC16;、設(shè)置AD采樣時間；將ADC_CCR寄存器中的TSVREFE位設(shè)置為1，將溫度傳感器從掉電模式中喚醒；啟動AD轉(zhuǎn)換，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束侯讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果；2.STM32內(nèi)部溫度傳感器的溫度檢測設(shè)計新建AD轉(zhuǎn)換源文件和頭文件打開設(shè)計項目，并在項目的hardware文件夾下新建adc1文件夾；在MDK編輯界面下新建adc1.c和adc1.h，并保存到adc11文件夾中；將adc1.c添加到MDK界面下的hardware包內(nèi)；將adc1.h的路徑添加到程序編譯的包含路徑列表內(nèi)；將adc1.h包含在sys.h內(nèi)。2.STM32內(nèi)部溫度傳感器的溫度檢測設(shè)計ADC1初始化的步驟開啟ADC的硬件時鐘；ADC設(shè)置為獨(dú)立模式，并將ADC時鐘硬件時鐘進(jìn)行分頻；配置AD轉(zhuǎn)換的時鐘頻率，將APB2的時鐘至少進(jìn)行4分配，得到21MHz；配置AD轉(zhuǎn)換的基本參數(shù)，完成ADC的初始化功能；配置AD轉(zhuǎn)換通道（RANK1），選擇AD轉(zhuǎn)換通道輸入的外部信號通道；啟動AD轉(zhuǎn)換的電源；2.STM32內(nèi)部溫度傳感器的溫度檢測設(shè)計ADC1工作模式設(shè)置ADC工作在獨(dú)立模式；ADC時鐘為21MHz;12位AD轉(zhuǎn)換；單次轉(zhuǎn)換工作方式；非掃描模式；軟件觸發(fā)方式；數(shù)據(jù)采用右對齊方式；AD轉(zhuǎn)換的通道數(shù)量為1；2.STM32內(nèi)部溫度傳感器的溫度檢測設(shè)計溫度傳感器的讀取溫度轉(zhuǎn)換通道參數(shù)配置;觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換；讀取AD轉(zhuǎn)換輸入結(jié)果；AD轉(zhuǎn)換結(jié)果轉(zhuǎn)換為溫度；溫度值發(fā)送給上位機(jī)；任務(wù)7.4數(shù)電電壓表設(shè)計1.模擬量輸入信號電路結(jié)構(gòu)2.外部通道AD轉(zhuǎn)換的初始化程序及模擬量電壓檢測程序設(shè)計1.模擬量輸入信號電路結(jié)構(gòu)AD轉(zhuǎn)換參考電壓Vref+的輸入電壓值為3.3V;PA1可以被配置為ADC1、ADC2、ADC3