STM32单片机技术与应用项目教程 课件 项目七 芯片温度和直流电压信号检测设计

项目七芯片温度和直流电压信号检测设计【知识目标】掌握AD转换的功能与常用AD转换方法；了解AD转换的主要技术参数；掌握STM32F407ZGT6的AD转换的结构与功能；掌握STM32F407ZGT6温度传感器结构；了解标准库AD转换的功能函数功能。

【能力目标】掌握STM32F407ZGT6AD转换的参数设置；能够使用标准库完成AD转换的初始化设置；能够使用AD转换功能完成传感器的数据检测与转换。【素质目标】培养规范化程序设计习惯；培养分析问题解决问题的能力；培养阅读设计文档资料的能力。项目七芯片温度和直流电压信号检测设计任务7.1AD转换功能介绍任务7.2STM32F407ZGT6的AD功能任务7.3

AD转换读取芯片内部温度任务7.4

数电电压表设计1.AD转换器的分类2.AD转换器的主要技术指标任务7.1AD转换功能介绍1.AD转换器的分类常用的AD转换类型分有:积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。1）积分型

积分型AD转换的工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率(脉冲频率)，然后由定时器/计数器获得数字值。优点:用简单电路就能获得高分辨率；缺点:转换精度依赖于积分时间，转换速率极低。1.AD转换器的分类2）逐次比较型

逐次比较型AD转换由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成，从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值，其电路规模属于中等；。优点:：速度较快、功耗低、低分辩率产品价格便宜。缺点：高精度产品价格昂贵。1.AD转换器的分类3）并行比较型

并行比较型AD转换采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash(快速)型。优点：速度快；缺点：电路规模极大，价格昂贵。1.AD转换器的分类4）串并行比较型AD转换

串并行比较型AD转换结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为Halfflash(半快速)型。优点：AD速度比逐次比较型高,电路规模比并行型小；缺点：价格昂贵。1.AD转换器的分类5）Σ-Δ调制型

Σ-Δ型AD由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型,将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号,用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分容易单片化,因此容易做到高分辨率，主要用于音频和测量。优点：转换精度高，价格低廉；缺点：转换速度较慢。2.AD转换器的主要技术指标1）分辨率(Resolution)分辩率是指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示，如8位AD，AD转换结果的数值范围为0~255。2.AD转换器的主要技术指标2）转换率(ConversionRate)转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念,是指两次转换的间隔。

为了保证转换的正确完成，采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率，常用单位是ksps和Msps。2.AD转换器的主要技术指标3）量化误差

量化误差是由于AD转换的有限分辩率而引起的误差,即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD转换(理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。4）偏移误差(OffsetError)

偏移误差输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。2.AD转换器的主要技术指标5）满刻度误差(FullScaleError)

满刻度误差满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。4）线性度(Linearity)

线性度(实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。1.STM32F407ZGT6单片机AD特性2.STM32F407ZGT6的转换通道任务7.2STM32F407ZGT6的AD功能1.STM32F407ZGT6单片机AD特性

STM32F407ZGT6单片机内部的12位ADC是逐次逼近型模数转换器;内部包括最多可以有19个复用通道，可测量16个外部信号源（ADCx_IN0-ADCx_IN15）、1个内部温度传感器、1个内部参考电压源、1个VBAT的通道信号;1.STM32F407ZGT6单片机AD特性A/D转换可以采用单次、连续、扫描或不连续采样模式：单次：在单次转换模式下，每次触发AD转换则ADC执行一次转换；连续：CONT位为1时，ADC则为连续工作模式，在连续转换模式下，触发AD转换后，ADC转换结束后新的一个转换立即启动；扫描：通过将ADC_CR1寄存器中的SCAN位置1来选择扫描模式。在扫描模式下，每次转换将依次按被选定的通道顺序完成AD转换。1.STM32F407ZGT6单片机AD特性ADC的结果存储在一个16位数据寄存器中,可以设置左对齐或右对齐：12位数据的右对齐12位数据的左对齐1.STM32F407ZGT6单片机AD特性ADC具有模拟看门狗特性，如果ADC转换的模拟电压低于阈值下限或高于阈值上限，则AWD模拟看门狗状态位会置1。可以使用ADC_CR1寄存器中的AWDIE位使能中断。1.STM32F407ZGT6单片机AD特性ADC可配置为12位、10位、8位或6位分辨率;可独立设置各通道采样时间、外部触发器选项，可以配置规则转换和注入转换；ADC转换全速运行时电源电压的范围为2.4V-3.6V，慢速运行时电源电压可以配置为1.8V；1.STM32F407ZGT6单片机AD特性ADC转换的输入模拟信号的范围为:VREF--VREF+。1.STM32F407ZGT6单片机AD特性规则通道转换期间可产生DMA请求;ADC最大的转换速率为2.4MHz，ADC的时钟不要超过36MHz。时钟来自于经可编程预分频器分频的APB2时钟，该预分频器允许ADC在APB2时钟的/2、/4、/6或/8下工作。RCCAPB2通过外设时钟使能寄存器(RCC_APB2ENR)使能后，分别为每个ADC提供时钟信号。1.STM32F407ZGT6单片机AD特性规则通道组最多包含16个规则转换通道，注入通道组最多包含4个通道：16条复用通道可以将转换分为两组：规则转换和注入转换。每个组包含一个转换序列，该序列可按任意顺序在任意通道上完成；一个规则转换组最多由16个转换构成规则转换组中的转换总数必须写入ADC_SQR1寄存器中的L[3:0]位。一个注入转换组最多由4个转换构成ADC_JSQR寄存器中选择转换序列的注入通道及其顺序。1.STM32F407ZGT6单片机AD特性外部触发启动（适用于规则通道和注入通道）可以通过外部事件（例如，定时器捕获、EXTI中断线）触发转换。规则通道的外部触发注入通道的外部触发1.STM32F407ZGT6单片机AD特性ADC中断

AD中断包括规则通道转换结束、注入通道转换结束、模拟看门口置位、数据溢出，可以使用单独的中断使能位来配置需要使用的中断方式。2.STM32F407ZGT6的转换通道AD电路结构图2.STM32F407ZGT6的转换通道1）16个外部源（ADCx_IN0-ADCx_IN15）2）一个内部温度传感器；3）一个内部参考源；4）VBAT的通道的信号；任务7.3AD转换读取芯片内部温度1.STM32内部温度传感器2.STM32内部温度传感器的温度检测设计1.STM32内部温度传感器STM32F407ZGT6单片机内部温度传感器和通道ADC1_IN16相连接，内部温度传感器的输出电压在1.8V-3.6V之间随着温度成线性变化，温度传感器在25摄氏度时输出电压为0.76V，温度每变化1摄氏度则电压变化2.5mV，对温度传感器的推荐的采样时间最短为17.1us。温度传感器的检测温度值计算公式为：

温度(°C)=（(VSENSE-V25)/Avg_Slope）+25V25为25摄氏度时的温度传感器输出电压（0.76V）VSENSE时为当前温度下温度传感器输出的电压值Avg_Slope为温度传感器输出电压与温度变得比率，对应值为2.5mV/°C。读取温度传感器的操作步骤如下：设置AD转换通道为ADC16;、设置AD采样时间；将ADC_CCR寄存器中的TSVREFE位设置为1，将温度传感器从掉电模式中唤醒；启动AD转换，AD转换结束侯读取AD转换结果；2.STM32内部温度传感器的温度检测设计新建AD转换源文件和头文件打开设计项目，并在项目的hardware文件夹下新建adc1文件夹；在MDK编辑界面下新建adc1.c和adc1.h，并保存到adc11文件夹中；将adc1.c添加到MDK界面下的hardware包内；将adc1.h的路径添加到程序编译的包含路径列表内；将adc1.h包含在sys.h内。2.STM32内部温度传感器的温度检测设计ADC1初始化的步骤开启ADC的硬件时钟；ADC设置为独立模式，并将ADC时钟硬件时钟进行分频；配置AD转换的时钟频率，将APB2的时钟至少进行4分配，得到21MHz；配置AD转换的基本参数，完成ADC的初始化功能；配置AD转换通道（RANK1），选择AD转换通道输入的外部信号通道；启动AD转换的电源；2.STM32内部温度传感器的温度检测设计ADC1工作模式设置ADC工作在独立模式；ADC时钟为21MHz;12位AD转换；单次转换工作方式；非扫描模式；软件触发方式；数据采用右对齐方式；AD转换的通道数量为1；2.STM32内部温度传感器的温度检测设计温度传感器的读取温度转换通道参数配置;触发AD转换；读取AD转换输入结果；AD转换结果转换为温度；温度值发送给上位机；任务7.4数电电压表设计1.模拟量输入信号电路结构2.外部通道AD转换的初始化程序及模拟量电压检测程序设计1.模拟量输入信号电路结构AD转换参考电压Vref+的输入电压值为3.3V;PA1可以被配置为ADC1、ADC2、ADC3