HC32F460 系列的模數轉換器 ADC

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摘要

本應用筆記主要介紹 HC32F460 系列 MCU 的模數轉換器（以下簡稱 ADC）的特點及使用方法，包括掃描模式、轉換數據平均功能、模擬看門狗、可編程增益放大器和協同模式等。

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ADC 簡介

2.1

功能簡介

HC32F460 系列 MCU 內部集成 ADC1 和 ADC2 兩個 ADC 模塊（系統框圖如圖 2-1），掛載于AHB-APB（APB3）總線，可配置 12 位、10 位和 8 位分辨率，支持最多 16 個外部模擬輸入通道和 1 個內部基準電壓/8bitDAC 輸出的檢測通道。這些模擬輸入通道可以任意組合成一個序 列（序列 A 或序列 B），一個序列可以進行單次掃描（包括兩個動作：采樣和轉換），或連續掃描。支持對任意通道進行連續多次掃描，并對轉換結果進行平均。ADC 模塊還搭載模擬看門狗（以下簡稱 AWD）功能，可對任意通道的轉換結果進行監視，檢測是否超出設定的閥值。

2.2 主要特性

HC32F460 系列 MCU 的 ADC 具有如下主要特性：

1) 高性能

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可配置 12 位、10 位和 8 位分辨率

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周邊時鐘（數字時鐘）PCLK4 和 A/D 轉換時鐘 ADCLK 的頻率比可選擇：

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PCLK4 : ADCLK = 1 : 1，2 : 1，4 : 1，8 : 1，1 : 2，1 : 4

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ADCLK 可選與系統時鐘 HCLK 異步的 PLL 時鐘，此時 PCLK4 : ADCLK = 1:1

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采樣率：2.5MSPS（PCLK4 = ADCLK = 60MHz，12 位分辨率，采樣 11 周期）

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各通道可獨立設置采樣時間

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各通道獨立數據寄存器

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數據寄存器可配置數據對齊方式

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連續多次轉換平均功能

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模擬看門狗，監視轉換結果

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不使用時可將 ADC 模塊設定為停止狀態

2) 模擬輸入通道

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最多有 16 個外部模擬輸入采樣通道

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1 個內部基準電壓/8bitDAC 輸出的檢測通道

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最多有 16 個外部模擬輸入引腳，外部模擬輸入引腳可與采樣通道自由映射

3) 轉換開始條件

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軟件啟動開始轉換（只支持序列 A）

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外設事件觸發開始轉換（支持序列 A 和序列 B）

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外部引腳觸發開始轉換（支持序列 A 和序列 B）

4) 轉換模式

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序列 A 單次掃描

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序列 A 連續掃描

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雙序列掃描

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協同模式

5)

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序列 A 掃描結束中斷和事件 ADC_EOCA

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序列 A 掃描結束中斷和事件 ADC_EOCB

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模擬看門狗通道比較中斷和事件 ADC_CHCMP，序列比較中斷和事件 ADC_SEQCMP

?

上述 4 個事件輸出都可啟動 DMA

2.3 引腳配置

HC32F460 系列 MCU 的 ADC1 有 17 個采樣通道，最多支持 16 個外部模擬輸入引腳，通道0~15 可與外部模擬輸入引腳自由映射，通道 16 用于內部基準電壓/8bitDAC 的輸出檢測。ADC2 有 9 個采樣通道，最多支持 8 個外部模擬輸入引腳，通道 0~7 可與外部模擬輸入引腳自由映射，通道 8 用于內部基準電壓/8bitDAC 的輸出檢測。

3

ADC 應用

3.1

模擬輸入引腳與通道

HC32F460 系列 MCU 的 ADC 模塊模擬輸入引腳等配置,

默認情況下，ADC1 的 CH0（通道 0）對應模擬輸入引腳 ADC1_IN0，CH1 對應

ADC1_IN1……，CH16 為內部模擬通道，只能用于檢測內部基準電壓、8bitDAC1 或

8bitDAC2。也就是，默認情況下，ADC1 序列 A 的通道選擇寄存器 ADC1_CHSELRA0（或序列 B 的通道選擇寄存器 ADC1_CHSELRB0）的 bit0 置 1，即選擇了模擬輸入引腳 ADC1_IN0，bit1 置 1，即選擇模擬輸入引腳ADC1_IN1；序列 A 的通道選擇寄存器ADC1_CHSELRA1（或序列 B 的通道選擇寄存器 ADC1_CHSELRB1）的 bit0 置 1，即選擇了內部模擬輸入，用于檢測內部基準電壓、8bitDAC1 或 8bitDAC2。但是，HC32F460 系列的 ADC 模塊具有模擬輸入引腳與通道自由映射（除用于檢測內部模擬輸入的通道外）的功能，可滿足用戶不同的應用需求。例如，可將引腳 ADC12_IN10 映射到ADC1 的一個通道（如 CH0，不能映射到 CH16），或同時映射到多個通道（如 CH0、CH2 和 CH3）。

ADC2 通道與引腳的默認對應關系和通道重映射與 ADC1 的類似。

關于通道重映射，固件例程 adc_11_channel_remap 給出了其具體用法。

3.2 模擬輸入的采樣時間和轉換時間

關于 ADC 時間的詳細說明，請參考用戶手冊“模擬輸入的采樣時間和轉換時間”一節中，寄存器 ADC_SSTR 和 ADC 電氣特性部分，請嚴格按照手冊要求設置采樣時間。在滿足應用需求的情況下，請盡量將采樣時間設置得大一些，尤其在對多個通道采樣時，如果通道的采樣時間設 置偏小，可能會導致相鄰通道（如序列 A 配置了 CH0、CH5、CH7，那么 CH0 和 CH5、CH5 和 CH7 都是相鄰通道）之間透過采樣電容發生耦合，而使轉換結果不準確。

3.3 模式和功能

ADC 的通道可配置為序列 A 或序列 B，序列 A 和序列 B 可單獨設置不同的觸發源。兩個序列共有四種掃描方式：

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序列 A 單次掃描；

?

序列 A 連續掃描；

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序列 A 單次掃描，序列 B 單次掃描；

?

序列 A 連續掃描，序列 B 單次掃描。

各通道還可設置平均功能，可連續掃描設定次數后，計算轉換的平均值，并將平均值保存到數據寄存器中；模擬看門狗 AWD 在通道轉換結束后對轉換結果進行比較，可生成通道比較中斷和事件 ADC_CHCMP，在整個序列掃描結束后，根據各通道比較結果生成序列比較中斷和事件 ADC_SEQCMP；可編程增益放大器 PGA，可對模擬輸入信號放大后再轉換；協同工作模式下，ADC1 和 ADC2 可同時轉換或連續交替轉換；模擬輸入引腳可與 ADC 通道的自由映射，再結合協同模式，可實現對模擬輸入的高頻掃描。

3.4 序列 A 單次掃描模式

3.4.1 說明

在此模式下，ADC 執行單個或多個通道的單次掃描，并在轉換完成后停止.

3.4.2 應用

該模式可以設置單個或多個通道。設置多個通道時，可實現對多個通道進行依次掃描，這些通道可設置不同的采樣時間，用戶不必在掃描過程中停止 ADC，即可以不同的采樣時間重新掃描下一個通道，可避免額外的 CPU 負載以及繁重的軟件開發。

該模式是簡單的 ADC 模式，應用方式靈活。如在系統啟動前，可以用這種模式檢測系統的一些狀態信息，如電壓、壓力、溫度等，以確定系統是否可以正常啟動；在系統運行中，可用 這種模式，按需檢測系統狀態，以獲取系統實時狀態。

應用例程 adc_01_sa_base 給出了該模式的具體用法。

3.5 序列 A 連續掃描模式

3.5.1 說明

連續掃描模式可對單個通道或多個通道進行連續不斷的掃描。連續掃描模式允許

ADC 在后臺工作。因此，ADC 可在沒有任何 CPU 干預的情況下對通道進行連續（循環）掃描通道。此外，還可以在連續掃描模式下使用 DMA，從而降低 CPU 負載。

3.5.2 應用

此模式設置單個通道時，可用于監視電池電壓、測量和調節烤箱溫度等應用。在用于調節烤箱溫度時，系統將讀取溫度并與用戶設置的溫度進行比較。當烤箱溫度達到所需溫度時，關閉加熱電阻器的電源。

設置多個通道時，與多通道單次掃描模式類似，只是在完成序列的一個通道后不會停止掃描，而是從一個通道重新開始掃描并無限循環下去。多通道連續掃描模式，可用于監視多電池充電器中的多個電壓和溫度。系統在充電過程中讀取每節電池的電壓和溫度。當電壓或溫度達到大值時，將切斷相應電池與充電器的連接。

應用例程 adc_01_sa_base 中有該模式的設置以及簡單的應用方法。

3.6 雙序列掃描模式

3.6.1 說明

此處將“序列 A 單次掃描、序列 B 單次掃描”和“序列 A 連續掃描、序列 B 單次掃描”兩種模式整合為雙序列掃描模式進行介紹。雙序列掃描模式，只是在前兩種模式中增加了序列 B 的掃描。雙序列掃描模式下，序列 B 必須由外部引腳或內部事件觸發轉換，軟件啟動對序列 B 無 效，序列 A 可由軟件啟動掃描，也可由外部引腳或內部事件觸發掃描。序列 B 的優先級高于 序列 A. 配置 ADC_CR1.RSCHSEL 為 0 時，當序列 A 被中斷后，恢復時，從被中斷通道繼續掃描.

3.6.2 應用

可在前兩種模式的應用中，加入需要實時響應（更高優先級）掃描的通道，將其配置為序列B。例程 adc_04_sa_sb_event_trigger 實現了雙序列掃描的基本用法。

3.7 轉換數據平均功能

3.7.1 說明

轉換數據平均功能，可設置連續掃描 2、4、8、16、32、64、128 或 256 次后，將轉換結果平均后，保存到數據寄存器。該功能可去除一定的噪聲成分，使結果更加準確。該功能的優勢是可以在無任何硬件變更的情況下提高 ADC 的準確度，缺點是降低了轉換速度和頻率（相當于降低了有效采樣率）。

3.7.2 應用

針對不同的應用，可設置不同的連續掃描次數，該次數取決于需要的精度、低轉換速度等。應用筆記沒有單獨為該功能提供例程，在例程 adc_01_sa_base 中有該功能的配置方式。

3.8

模擬看門狗

3.8.1

說明

HC32F460 系列 MCU 的模擬看門狗，可配置為上下限比較或區間比較。用戶可預先設置比較條件和相應的上下限或區間。在通道轉換結束后，模擬看門狗對轉換結果

進行比較，如果滿足比較條件，則產生通道比較中斷和事件 ADC_CHCMP，在整個序列掃描結束后，根據各通道比較結果生成序列比較中斷和事件 ADC_SEQCMP。每個使能模擬看門狗的通道，只要其轉換結果滿足比較條件，都會產生一次中斷和事件 ADC_CHCMP；每個序列，只要其中一個通道的轉換結果滿足比較條件，都會產生中斷和事件 ADC_SEQCMP。在條件滿足后，一個序列只產生一次中斷和事件 ADC_SEQCMP。也就是，一個 ADC 模塊，一輪

掃描結束后，可產生多次中斷和事件 ADC_SEQCMP，最多兩次（因為最多只有兩個序列）中斷和事件 ADC_SEQCMP。

注意：

- 不推薦同時使用 ADC_CHCMP 中斷和 ADC_SEQCMP 中斷。

3.8.2

應用

在一些控制系統中，需要嚴格監測電壓、壓力、溫度等信號的范圍，使用模擬看門狗能夠快速地檢測到這些信號的異常狀況，并做出相應的應對措施，以確保設備安全。例程adc_08_sa_sb_awd_base 給出了模擬看門狗的配置和基本應用方法；但通常，模擬看門狗的中斷用法更為高效，應用也更為普遍，例程 adc_09_sa_sb_awd_interrupt 給出了模擬看門狗的中斷配置和用法。

3.9

內部模擬通道

3.9.1

說明

ADC1 和 ADC2 都具有一個用于檢測內部模擬輸入的通道，分別為通道 16 和通道 8，用來檢測三個可選擇的內部模擬輸入量，內部基準電壓、8bitDAC1 輸出8bitDAC2 輸出。

注意：

- 只能選擇 ADC1 和 ADC2 其中之一的內部檢測通道，來檢測三個內部模擬輸入的其中一個，不能同時使用 ADC1 和 ADC2 的內部檢測通道。

3.9.2

應用

在一些系統中，可能由于某些原因導致 ADC 的參考電壓不穩定，從而無法知道模擬輸入的實際電壓值，這時，可用 ADC1 或 ADC2 的內部檢測通道，來檢測內部基準電壓（在系統工作電壓正常時恒為 1.1V），來反推 ADC 當前的參考電壓，從而得知模擬輸入當前的實際電壓值。具體實現如下：

1.

在某已知參考電壓 VREF1 下測得內部基準電壓的 ADC 值為 VAL1；

2.

隨著系統的運行，參考電壓可能隨著供電源（如電池）的電壓降低而下降，此時測得內部基準電壓的 ADC 值為 VAL2，設此時參考電壓為 VREF2；

3.

由于內部基準電壓是恒定的，所以有：

VAL1 × VREF1 = VAL2 × VREF2;

VREF2 = (VAL1 × VREF1) / VAL2;

由此已知當前參考電壓為 VREF2，就不難得到模擬輸入的實際電壓了。

例程 adc_10_internal_channel 展示了內部通道的各種配置和簡單用法。

3.10 可編程增益放大器 PGA

3.10.1 說明

HC32F460 系列 MCU 集成了可編程增益放大器 PGA，能對模擬信號進行放大處理，可節省MCU 外接運算放大器的硬件成本。PGA 電路先將模擬信號進行放大，然后再將放大后的模擬信號輸出至 ADC 模塊進行采樣轉換。

注意：

-

只有 ADC1 支持 PGA；

-

PGA 通道直接與模擬輸入引腳對應，其對應引腳映射的通道必須被 ADC1 序列 A 或序列B 的通道選擇寄存器選中，才可對該模擬輸入進行放大。

3.10.2 應用

用戶可根據實際的應用場景，選擇合適的放大倍數，對模擬輸入進行放大。模擬輸入電壓和放大倍數必須滿足如下條件：

0.1*VCCA/Gain <= VI <= 0.9*VCCA/Gain

其中，VCCA 是模擬電源電壓，Gain 是放大倍數，VI 是模擬輸入電壓，具體請參考用戶手冊PGA 相關部分。關于 PGA 的配置和用法，請參考例程 adc_12_adc1_pga。

3.11 協同模式

HC32F460 系列 MCU 具有兩個 ADC 模塊，可使用 ADC 協同工作模式。在協同工作模式下，轉換啟動只能由 ADC1 的觸發源觸發啟動，且軟件啟動無效。

協同模式可配置為以下四種協同模式：

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單次并行觸發模式

?

單次延遲觸發模式

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循環并行觸發模式

?

循環延遲觸發模式

注意：

-

協同模式只能由 ADC1 配置；

-

設置為協同工作模式的 ADC，其配置（掃描模式、分辨率和數據對齊方式等）應盡量相同；具體通道無需相同，但是通道數量及對應采樣時間應相同；

-

使用單次觸發時，請將協同工作模式的 ADC 設置為序列 A 單次掃描或循環掃描；使用循環觸發模式時，請設置為序列 A 單次掃描；

-

禁止多個 ADC 模塊同時對一個模擬輸入進行采樣；

-

請嚴格按照用戶手冊協同模式相關部分的說明，來設置采樣時間（ADC_SSTR 寄存器）和協同模式控制寄存器 ADC_SYNCCR 的 SYNCDLY。

-

請禁止序列 B，以免打亂同步。

3.11.1 單次并行觸發模式

3.11.1.1 說明

該模式下，ADC1 序列 A 的觸發條件同時觸發處于協同工作模式的所有 ADC 模塊， ADC1 序列 A 的觸發條件只觸發處于協同工作模式的 ADC 模塊一次，這些 ADC 模塊在采樣轉換一次后，是否停止，視其序列 A 掃描模式而定。

3.11.1.2 應用

并行觸發的特點是，處于協同工作模式的 ADC 能同時對各自的模擬輸入進行采樣轉換。例如，測量單相或三相瞬時電功率并繪制其曲線：Pn(t) = Un(t) × In(t)。在這種情況下，應同時測量電壓和電流，然后計算瞬時功率，即電壓 Un(t) 與電流 In(t)的乘積。要測量單相電功率，可將 ADC1 的一個通道和 ADC2 的一個通道配合使用，一個通道測量電壓，一個通道測量電流，如圖 3-9；要測量三相電功率，可將 ADC1 的三個通道和 ADC2 的三個通道配合使用，三個通道測量電壓，三個通道測量電流。

如果只需要測量某一時刻的瞬時功率，使用單次并行觸發模式即可；如果要連續測量，可結合定時器使用，用定時器定時觸發該協同模式，或結合序列 A 連續掃描模式，或用循環并行觸發模式，具體可根據需要的掃描頻率等需求選擇合適的解決方法。

3.11.2 單次延遲觸發模式

3.11.2.1 說明

ADC1 序列 A 的觸發條件觸發 ADC1 后，經過設定的延遲后觸發 ADC2 啟動采樣轉換。ADC1 序列 A 的觸發條件只觸發處于協同工作模式的 ADC 模塊一次，這些 ADC 模塊在采樣轉換一次后，是否停止，視其序列 A 掃描模式而定。

3.11.2.2 應用

結合序列 A 連續掃描模式，可實現對同一模擬輸入的高頻采樣。例如，如果要轉換的信號的頻率為 2.5MHz，則采樣率應該大于或等于該信號頻率的二倍（符合香農采樣定理）。

由于一個 ADC 的采樣率為 2.5MSPS，達不到采樣定理的要求。此時，可通過這種方式將采樣率提高到 5MSPS。關鍵設置如下：

1.

設置 ADC 時鐘為 60MHz；

2.

ADC1 和 ADC2 設置掃描模式為序列 A 連續掃描；

3.

ADC1 和 ADC2 配置同一個模擬輸入，并設置相同的采樣周期數 ADC_SSTR = 11；

4.

配置同步模式為單次延遲觸發，并設置同步延遲時間 ADC_SYNCCR.SYNCDLY = 12。

注意：

- 不要為了更高的采樣率而縮減采樣時間 ADC_SSTR，采樣時間過短可能會使轉換結果的

誤差超出誤差值的設計范圍。

建議：強烈建議使用 DMA 而非中斷，以免數據丟失。

3.11.3 循環并行觸發模式

3.11.3.1 說明

該模式下，ADC1 序列 A 的觸發條件同時觸發處于協同工作模式的所有 ADC 模塊。若設置為單次并行觸發，那么所有 ADC 模塊在轉換一次后就停止轉換（如果掃描模式是序列 A 單次掃描）；若設置為循環并行觸發，在 ADC1 序列 A 的觸發條件同時觸發處于協同工作模式

的所有 ADC 模塊后，每經過延遲之后，所有 ADC 模塊會再次同時觸發轉換，如此循環，直到用戶主動軟件停止 ADC1 模塊或禁止協同模式。

3.11.3.2 應用

如果需要連續測量某模擬信號，可使用該模式，比如前面的測量電功率的應用。

3.11.4 循環延遲觸發模式

3.11.4.1 說明

ADC1 序列 A 的觸發條件觸發 ADC1 之后，每經過設定的延遲后，依次循環不斷觸發 ADC2、ADC1、ADC2……，直到用戶主動軟件停止 ADC1 模塊或禁止協同模式。

3.11.4.2 應用

該模式適用用于一些，需要對模擬輸入進行循環交替采樣而對采樣率要求不是很高的應用。這里簡單介紹下循環延遲觸發模式采樣率的計算方法。

假設如下條件：

1.

ADC 時鐘為 60MHz；

2.

采樣時間 ADC_SSTR 設置為 11；

3.

由 17.3.8 節和 17.4.16 節相關要求，SYNCDLY 可設置為 17。

4 總結

本應用筆記簡要介紹了 HC32F460 系列 ADC 模塊的各種功能以及可能的應用場景，并給出了ADC 模塊應用的基本流程，還提供了一種測試高頻采樣率的方法，在實際開發中，用戶可根據具體應用場景按需配置和應用 ADC 模塊。