前言

ADC（Analog to Digital Converter）顧名思義是將類比訊號轉換成數位訊號的元件，現今多數 MCU 都會內建 ADC，而這也是相當基本且常用的功能。

STM32 中的 ADC 功能相當多樣，也造成它的使用有一定程度的複雜度，搭配組合很多，因此本文會以 STM32F446RE 為主，簡單介紹各種基本的模式及設定。

基本介紹

STM32F446RE 擁有三個 12-bit 的 ADC，且擁有 19 個通道，其中包含 16 個來自外部、2 個來自內部，還有一個是 V_BAT 通道。ADC 的輸入電壓範圍為 V_REF- ~ V_REF+，也就是最大 0 ~ 3.6 V。

ADC 有兩個 Clock：

類比電路時鐘：所有 ADC 皆相同。此時鐘訊號來自 APB2，經過一個可程式的預除頻器（\2、\4、\6 或 \8）。此時鐘頻率的上限為 18 MHz（V_DDA = 1.7 ~ 2.4 V）或 36 MHz（V_DDA = 2.4 ~ 3.6 V）。參考 DS10693 的 Table 74. ADC characteristics。
數位介面時鐘：用於相關暫存器的讀寫操作。此時鐘等同 APB2，可以透過設定 RCC 來單獨致/禁能特定的 ADC。

通道分組

在 STM32 中，ADC 通道可分為 Regular（常規）和 Injected（注入）兩組。組，或著說序列（Sequence）是由一到數個 ADC 通道以任一順序組成。

Regular group
- 由最多 16 個通道組成。
- 僅有一個 16 位元的資料暫存器（ADC_DR：ADC regular data register）。
Injected group
- 由最多 4 個通道組成。
- 有 4 個 16 位元的資料暫存器（ADC_JDRx：ADC injected data register x, x=1~4）。

Regular 與 Injected 的主要差異除了上面列的外，還有就是 Injected 有著類似中斷（Interrupt）的功能。一般狀態下，使用者可以將平常要量測的類比訊號源設為「 Regular 常規組」，當特殊事件發生時，「Injected 注入組」可以中斷 Regular 的轉換，優先進行 A/D 轉換，完成後再回去進行 Regular 組的轉換。

Regular 比較常見翻譯成「規則」通道，但在此我認為翻成「常規」比較能夠區分其與 Injected 的功能差異。

內部通道

F446RE 中有 3 個內部通道：溫度感測器、內部參考電壓 V_REFINT 與電池 V_BAT。

其中，溫度感測器與 V_BAT 共用 ADC1_IN18 通道。它們無法同時使用，若同時被啓用，那只有 V_BAT 的轉換會運作。而 V_REFINT 使用 ADC1_IN17 通道。

轉換模式

Single conversion mode 單次轉換模式

在此模式下，每次觸發 ADC 都只會進行一次轉換，轉換完成後就停止。

透過將 ADC_CR2 暫存器的 CONT 位元設為 0 以使用此模式。

觸發源可以是：

將 ADC_CR2 的 SWSTART 位元設為 1，即軟體觸發轉換。僅限 Regular 通道。
將 ADC_CR2 的 JSWSTART 位元設為 1，即軟體觸發轉換。僅限 Injected 通道。
外部觸發（如 Timer 或 EXTI）。Regular 及 Injected 通道皆適用。

Continuous conversion mode 連續轉換模式

在此模式下，ADC 在完成一次轉換後會儘快開始另一次新的轉換。

透過將 ADC_CR2 暫存器的 CONT 位元設為 1 以使用此模式。

觸發源可以是：

將 ADC_CR2 的 SWSTART 位元設為 1，即軟體觸發轉換。僅限 Regular 通道。
外部觸發（如 Timer 或 EXTI）。僅限 Regular 通道。

Injected 通道無法使用連續轉換，除非設定 JAUTO 位元以啓用 Auto-injection，在此就不詳細說明。

其它模式

Scan mode 掃描模式

此模式用來以組為單位，為多個 ADC 通道進行轉換。Regular 和 Injected 通道都適用。

當其中一個通道轉換完成後，組（或序列 Sequence）中的下一個通道會自動開始進行轉換，若啓用了 Continuous conversion mode（CONT=1），當 Regular 組的最後一個通道轉換完後，會繼續從組中的第一個通道重新開始另一輪轉換，不會停止。

由於 Regular 組只有一個 16 位元的資料暫存器，所以通常會搭配 DMA 來存取轉換完成的資料，避免資料被下一個通道的資料覆蓋。而 Injected 組的 4 個通道都有自己獨立且專用的 16 位元資料暫存器，故其轉換完成的資料會儲存進各自的資料暫存器中，不必擔心資料會被其它通道所覆蓋。

此模式透過設定 ADC_CR1 中的 SCAN 位元來啓用。

Discontinuous mode 不連續模式

此模式的概念是可以將組（或序列 Sequence）再分成更短的小組，當觸發轉換時，會以小組為單位進行轉換，也就是可以不一次轉換組內的全部通道，而是分批掃描。

例如設定 Regular 組所包含的通道依序為「0，1，2，3，6，7，9，10」，並將小組的長度 n 設為 3：

第一次觸發：轉換「0，1，2」通道。
第二次觸發：轉換「3，6，7」通道。
第三次觸發：轉換「9，10」通道。
第四次觸發：轉換「0，1，2」通道。
以此類推… …

此模式透過設定 ADC_CR1 的 DISCEN（對於 Regular）或 JDISCEN（對於 Injected）位元來啓用。Regular 和 Injected 不能同時啓用 Discontinuous mode。

Auto-injected 與 Discontinuous mode 無法同時使用。 Discontinuous mode 與 Continuous conversion mode 雖然名稱相近但其「連續」的意義不同。前者是可以將組再細分成小組，後者是在每次轉換完成後自動觸發下一次的轉換。

小結

ADC 的功能相當複雜與多元，以上也只是簡單介紹最基本的概念，還有很多進階的功能沒有提到，像是 ADC watchdog、Multi ADC 或電池監控等，這些進階的功能可以參考 RM0390（STM32F446RE）。

參考資料

本文同步發表於 iT 邦幫忙-2022 iThome 鐵人賽。

STM32 ADC 類比數位轉換器

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