АЦП STM32F1 и STM32F4: режимы, запуск, калибровка, точность

АЦП STM32F103 и STM32F407

Данные — из RM0008 (раздел 11.2), RM0090 (раздел 13.2) и таблиц 47 DS5319 и 67 DS8626. Частота АЦП получается из PCLK2 делителем ADCPRE на 2, 4, 6 или 8: у STM32F1 он в регистре RCC_CFGR, у STM32F4 — в общем регистре ADC_CCR. При частоте шины 72 МГц делитель 6 даёт 12 МГц, а 14 МГц получаются только от 56 МГц — поэтому RM0008 указывает время преобразования 1 мкс при 56 МГц и 1,17 мкс при 72 МГц.

Входы и опорное напряжение

Диапазон входа — от VREF− до VREF+ (RM0008, раздел 11.2). В небольших корпусах отдельных выводов опорного напряжения нет: у STM32F103 в корпусах на 48 и 64 вывода и у STM32F405 в LQFP64 VREF+ соединён с VDDA внутри, а в LQFP100 и больших корпусах выведен отдельно (данные ST о выводах корпусов, STM32_open_pin_data). Сам код АЦП пропорционален отношению входного напряжения к VREF+, поэтому шум и отклонение питания VDDA прямо переходят в результат.

Вывод АЦП переводят в аналоговый режим (у STM32F1 — CNF = 00 и MODE = 00, у STM32F4 — MODER = 11). В этом режиме вывод не выдерживает 5 В: напряжение не должно выходить за VDDA больше чем на 0,3 В — подробнее в статье о GPIO STM32. DS8626 (примечание к таблице 68) предупреждает о наведённом токе: отрицательный ток в любой аналоговый вход заметно портит преобразование на других входах. Если на входе возможно напряжение ниже нуля, ставят диод Шоттки от вывода к земле.

Внутреннее сопротивление источника вместе с ёмкостью выборки ограничивает минимальное время выборки: при 14 МГц у STM32F103 источник 10 кОм требует не меньше 13,5 такта, а 50 кОм — 55,5 такта (DS5319, таблица 48). Расчёт для любого источника — в калькуляторе АЦП.

Группы каналов и режимы

АЦП хранит две очереди преобразований (RM0008, раздел 11.3.3):

• регулярная группа — до 16 преобразований в любом порядке, каналы могут повторяться; порядок задают регистры SQR1–SQR3, длину — поле L. Результат каждого преобразования попадает в один регистр DR и ставит флаг EOC;
• инжектированная группа — до 4 преобразований из регистра JSQR. Она прерывает регулярную, у каждого результата свой регистр JDR1–JDR4, а из результата можно сразу вычесть смещение JOFRx — тогда он становится знаковым.

Инжектированная группа подходит для срочных измерений по событию — например, тока в момент середины импульса ШИМ, — пока регулярная непрерывно опрашивает медленные датчики. Режимы преобразования:

В режиме скана регулярной группы нужен DMA: регистр данных один, и каждый новый результат затирает предыдущий (RM0008, раздел 11.3.8). Таблица каналов DMA для АЦП: у STM32F1 ADC1 обслуживает канал 1 DMA1, у STM32F4 — поток 0 или 4 DMA2, канал 0 — подробнее в статье о DMA STM32.

Запуск — программный или от внешнего события. У STM32F1 для ADC1 и ADC2 регулярную группу запускают TIM1_CC1, CC2, CC3, TIM2_CC2, TIM3_TRGO, TIM4_CC4, EXTI11 или программа (код EXTSEL = 111, бит SWSTART) при EXTTRIG = 1 (RM0008, 11.12.3). У STM32F4 выбор шире, и у внешнего запуска можно выбрать фронт — передний, задний или оба (поле EXTEN). Запуск по таймеру даёт выборки строго через равные промежутки времени, что нужно для цифровой фильтрации и спектрального анализа — как настроить таймер, описано в статье о таймерах STM32.

Включение и калибровка

У STM32F1 АЦП включается битом ADON регистра CR2, и первая запись единицы только выводит его из режима пониженного потребления. Через время стабилизации t_STAB — до 1 мкс (DS5319, таблица 47) — преобразование запускает повторная запись единицы в ADON (RM0008, раздел 11.3.1). Если в той же записи меняется любой другой бит CR2, преобразование не запускается: это защита от случайного старта при настройке регистра.

Калибровка снижает ошибки, вызванные разбросом ёмкостей внутреннего ЦАП: АЦП вычисляет поправку для каждого конденсатора и потом применяет её к каждому преобразованию (RM0008, раздел 11.4). Запускается она битом CAL, бит сбрасывается по окончании; длится 83 такта АЦП — 5,9 мкс при 14 МГц (DS5319, таблица 47). RM0008 рекомендует калибровать АЦП после каждого включения питания, причём перед калибровкой АЦП должен проработать с ADON = 1 хотя бы два такта. Бит RSTCAL предварительно сбрасывает старые калибровочные коды.

У STM32F4 самокалибровки нет (RM0090, раздел 13.2), а преобразование регулярной группы запускает бит SWSTART. Время включения t_STAB — до 3 мкс (DS8626, таблица 67).

Датчик температуры и VREFINT

Внутренний датчик температуры и источник опорного напряжения VREFINT подключены к каналам 16 и 17 АЦП1 и включаются битом TSVREFE (у STM32F1 — в ADC_CR2, у STM32F4 — в ADC_CCR). У STM32F42x/43x датчик температуры перенесён на канал 18 и делит его с измерением VBAT: одновременно включать их нельзя (RM0090, раздел 13.10).

Значения — из таблиц 12 и 51 DS5319 и 69, 70, 72 и 73 DS8626. Формулы RM0008 и RM0090 учитывают знак наклона:

Смещение характеристики у разных кристаллов различается до 45 °C (RM0008, раздел 11.10; RM0090, раздел 13.10), поэтому с типовыми V25 и наклоном датчик годится для отслеживания изменений температуры, а не для её абсолютного значения. У STM32F4 абсолютную точность повышают заводские калибровки: коды датчика при 30 и 110 °C записаны по адресам 0x1FFF 7A2C и 0x1FFF 7A2E, а код VREFINT при 30 °C — по адресу 0x1FFF 7A2A (DS8626, таблицы 70 и 73). Температура получается линейной интерполяцией между двумя точками:

где D_TS — код датчика, приведённый к VDDA = 3,3 В, при котором записаны калибровки. Само VDDA можно вычислить по VREFINT: $V_{DDA} = 3{,}3\ \text{В} \cdot VREFINT\_CAL / D_{VREFINT}$.

Аналоговый сторож

Сторож сравнивает каждый результат с порогами HTR и LTR и ставит флаг AWD, если значение вышло за окно, — без участия программы (RM0008, раздел 11.3.7). Он может следить за одним каналом или за всеми каналами регулярной, инжектированной или обеих групп. Пороги сравниваются с 12-битным результатом до выравнивания. Так удобно ловить перегрузку по току или выход питания за пределы: прерывание приходит только тогда, когда значение действительно ушло из окна.

Двойной и тройной режимы

АЦП могут работать вместе: одновременно преобразовывать разные каналы — например, ток и напряжение одной фазы в один момент — или по очереди один канал, повышая частоту выборки. У STM32F1 это двойной режим ADC1 и ADC2 (поле DUALMOD), у STM32F4 — двойной и тройной (поле MULTI регистра ADC_CCR). При чередовании трёх АЦП STM32F407 на 30 МГц выдаёт до 6 миллионов выборок в секунду, двух — до 3,75, одного — 2 (DS8626, таблица 67). Результаты двух или трёх АЦП тогда забирают через общий регистр ADC_CDR и DMA.

Точность

Условия: у STM32F103 — f_ADC 14 МГц, сопротивление источника меньше 10 кОм, VDDA 3–3,6 В, 25 °C, после калибровки (DS5319, таблица 49); у STM32F407 — f_ADC 30 МГц, источник меньше 10 кОм, VDDA 1,8–3,6 В (DS8626, таблица 68). Ошибка ±5 младших разрядов — это около 4 мВ при опорном напряжении 3,3 В. Ошибки смещения и усиления постоянны для конкретного экземпляра и убираются калибровкой по двум известным напряжениям, а случайный шум уменьшают усреднением нескольких выборок.

Примеры на CMSIS

Непрерывный скан двух внешних каналов (PA0, PA1) и датчика температуры с DMA у STM32F103 при PCLK2 = 72 МГц:

#include "stm32f1xx.h"

static volatile uint16_t adc_buf[3];   /* IN0, IN1, IN16 (temperature) */

void adc1_scan_init(void)
{
    RCC->CFGR = (RCC->CFGR & ~RCC_CFGR_ADCPRE) | RCC_CFGR_ADCPRE_DIV6;   /* 72 / 6 = 12 MHz */
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_ADC1EN;
    RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_DMA1EN;

    /* PA0, PA1: analog mode (MODE = 00, CNF = 00) */
    GPIOA->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE0 | GPIO_CRL_CNF0 | GPIO_CRL_MODE1 | GPIO_CRL_CNF1);

    DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)adc_buf;
    DMA1_Channel1->CNDTR = 3;
    DMA1_Channel1->CCR = DMA_CCR_PL_1 | DMA_CCR_MSIZE_0 | DMA_CCR_PSIZE_0   /* 16-bit */
                       | DMA_CCR_MINC | DMA_CCR_CIRC | DMA_CCR_EN;

    ADC1->SMPR2 = (7U << ADC_SMPR2_SMP0_Pos) | (7U << ADC_SMPR2_SMP1_Pos);   /* 239.5 cycles */
    ADC1->SMPR1 = 7U << ADC_SMPR1_SMP16_Pos;      /* 239.5 cycles = 20 us >= 17.1 us */
    ADC1->SQR1 = 2U << ADC_SQR1_L_Pos;            /* 3 conversions */
    ADC1->SQR3 = (0U << ADC_SQR3_SQ1_Pos) | (1U << ADC_SQR3_SQ2_Pos) | (16U << ADC_SQR3_SQ3_Pos);
    ADC1->CR1 = ADC_CR1_SCAN;

    ADC1->CR2 = ADC_CR2_ADON | ADC_CR2_TSVREFE;   /* power up, wake the sensor */
    for (volatile int i = 0; i < 100; i++) {}     /* t_STAB: at least 1 us */
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_RSTCAL;
    while (ADC1->CR2 & ADC_CR2_RSTCAL) {}
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CAL;
    while (ADC1->CR2 & ADC_CR2_CAL) {}

    /* continuous scan to DMA, software trigger (EXTSEL = 111) */
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_CONT | ADC_CR2_DMA | ADC_CR2_EXTTRIG | ADC_CR2_EXTSEL;
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;
}

Температура и напряжение питания по заводским калибровкам у STM32F407:

#include "stm32f4xx.h"

#define TS_CAL1     (*(const uint16_t *)0x1FFF7A2CU)   /* 30 C, VDDA = 3.3 V */
#define TS_CAL2     (*(const uint16_t *)0x1FFF7A2EU)   /* 110 C, VDDA = 3.3 V */
#define VREFINT_CAL (*(const uint16_t *)0x1FFF7A2AU)   /* 30 C, VDDA = 3.3 V */

static uint16_t adc1_read(uint32_t channel)
{
    ADC1->SQR3 = channel;                    /* one conversion: SQ1 */
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;
    while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC)) {}
    return (uint16_t)ADC1->DR;               /* reading DR clears EOC */
}

void adc1_init(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;
    ADC123_COMMON->CCR = ADC_CCR_ADCPRE_0 | ADC_CCR_TSVREFE;   /* PCLK2 / 4: 21 MHz at 84 MHz */
    ADC1->SMPR1 = (7U << ADC_SMPR1_SMP16_Pos) | (7U << ADC_SMPR1_SMP17_Pos);   /* 480 cycles */
    ADC1->CR2 = ADC_CR2_ADON;
    for (volatile int i = 0; i < 2000; i++) {}  /* t_STAB and the sensor start-up, up to 10 us */
}

float chip_temperature(float *vdda)
{
    float v = 3.3f * VREFINT_CAL / adc1_read(17);
    float ts = adc1_read(16) * v / 3.3f;      /* scale to the calibration VDDA */
    *vdda = v;
    return 30.0f + 80.0f * (ts - TS_CAL1) / (float)(TS_CAL2 - TS_CAL1);
}

Задержки в примерах — грубые циклы для наглядности; в рабочем коде их отмеряют таймером или счётчиком тактов DWT.

Частые ошибки

• Вывод не в аналоговом режиме — цифровой входной каскад нагружает сигнал, у STM32F1 RM0008 прямо требует аналоговый режим для входов АЦП.
• Скан без DMA — в DR остаётся только последний результат.
• Слишком короткая выборка для высокоомного источника — код занижен; удлините SMPx или поставьте буфер.
• Частота АЦП выше предела — у STM32F103 при PCLK2 = 72 МГц делитель 4 даёт 18 МГц, больше допустимых 14 МГц.
• Нет калибровки у STM32F1 после включения.
• Датчик температуры без задержки — после TSVREFE датчику нужно до 10 мкс на запуск, а выборка короче 17,1 мкс (у STM32F407 — 10 мкс) даёт неверный код.
• Отрицательное напряжение на одном входе — искажает результаты остальных каналов.