HC32F460 系列的模数转换器 ADC
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摘要
本应用笔记主要介绍 HC32F460 系列 MCU 的模数转换器（以下简称 ADC）的特点及使用方法，包括扫描模式、转换数据平均功能、模拟看门狗、可编程增益放大器和协同模式等。
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ADC 简介
2.1
功能简介
HC32F460 系列 MCU 内部集成 ADC1 和 ADC2 两个 ADC 模块（系统框图如图 2-1），挂载于AHB-APB（APB3）总线，可配置 12 位、10 位和 8 位分辨率，支持最多 16 个外部模拟输入通道和 1 个内部基准电压/8bitDAC 输出的检测通道。这些模拟输入通道可以任意组合成一个序 列（序列 A 或序列 B），一个序列可以进行单次扫描（包括两个动作：采样和转换），或连续扫描。支持对任意指定通道进行连续多次扫描，并对转换结果进行平均。ADC 模块还搭载模拟看门狗（以下简称 AWD）功能，可对任意指定通道的转换结果进行监视，检测是否超出设定的阀值。
2.2 主要特性
HC32F460 系列 MCU 的 ADC 具有如下主要特性：
1) 高性能
可配置 12 位、10 位和 8 位分辨率
周边时钟（数字时钟）PCLK4 和 A/D 转换时钟 ADCLK 的频率比可选择：
PCLK4 : ADCLK = 1 : 1，2 : 1，4 : 1，8 : 1，1 : 2，1 : 4
ADCLK 可选与系统时钟 HCLK 异步的 PLL 时钟，此时 PCLK4 : ADCLK = 1:1
采样率：2.5MSPS（PCLK4 = ADCLK = 60MHz，12 位分辨率，采样 11 周期）
各通道可独立设置采样时间
各通道独立数据寄存器
数据寄存器可配置数据对齐方式
连续多次转换平均功能
模拟看门狗，监视转换结果
不使用时可将 ADC 模块设定为停止状态
2) 模拟输入通道
最多有 16 个外部模拟输入采样通道
1 个内部基准电压/8bitDAC 输出的检测通道
最多有 16 个外部模拟输入引脚，外部模拟输入引脚可与采样通道自由映射
3) 转换开始条件
软件启动开始转换（只支持序列 A）
外设事件触发开始转换（支持序列 A 和序列 B）
外部引脚触发开始转换（支持序列 A 和序列 B）
4) 转换模式
序列 A 单次扫描
序列 A 连续扫描
双序列扫描
协同模式
5)
序列 A 扫描结束中断和事件 ADC_EOCA
序列 A 扫描结束中断和事件 ADC_EOCB
模拟看门狗通道比较中断和事件 ADC_CHCMP，序列比较中断和事件 ADC_SEQCMP
上述 4 个事件输出都可启动 DMA
2.3 引脚配置
HC32F460 系列 MCU 的 ADC1 有 17 个采样通道，最多支持 16 个外部模拟输入引脚，通道0~15 可与外部模拟输入引脚自由映射，通道 16 用于内部基准电压/8bitDAC 的输出检测。ADC2 有 9 个采样通道，最多支持 8 个外部模拟输入引脚，通道 0~7 可与外部模拟输入引脚自由映射，通道 8 用于内部基准电压/8bitDAC 的输出检测。
3
ADC 应用
3.1
模拟输入引脚与通道
HC32F460 系列 MCU 的 ADC 模块模拟输入引脚等配置,
默认情况下，ADC1 的 CH0（通道 0）对应模拟输入引脚 ADC1_IN0，CH1 对应
ADC1_IN1……，CH16 为内部模拟通道，只能用于检测内部基准电压、8bitDAC1 或
8bitDAC2。也就是，默认情况下，ADC1 序列 A 的通道选择寄存器 ADC1_CHSELRA0（或序列 B 的通道选择寄存器 ADC1_CHSELRB0）的 bit0 置 1，即选择了模拟输入引脚 ADC1_IN0，bit1 置 1，即选择模拟输入引脚ADC1_IN1；序列 A 的通道选择寄存器ADC1_CHSELRA1（或序列 B 的通道选择寄存器 ADC1_CHSELRB1）的 bit0 置 1，即选择了内部模拟输入，用于检测内部基准电压、8bitDAC1 或 8bitDAC2。但是，HC32F460 系列的 ADC 模块具有模拟输入引脚与通道自由映射（除用于检测内部模拟输入的通道外）的功能，可满足用户不同的应用需求。例如，可将引脚 ADC12_IN10 映射到ADC1 的一个通道（如 CH0，不能映射到 CH16），或同时映射到多个通道（如 CH0、CH2 和 CH3）。
ADC2 通道与引脚的默认对应关系和通道重映射与 ADC1 的类似。
关于通道重映射，固件例程 adc_11_channel_remap 给出了其具体用法。
3.2 模拟输入的采样时间和转换时间
关于 ADC 时间的详细说明，请参考用户手册“模拟输入的采样时间和转换时间”一节中，寄存器 ADC_SSTR 和 ADC 电气特性部分，请严格按照手册要求设置采样时间。在满足应用需求的情况下，请尽量将采样时间设置得大一些，尤其在对多个通道采样时，如果通道的采样时间设 置偏小，可能会导致相邻通道（如序列 A 配置了 CH0、CH5、CH7，那么 CH0 和 CH5、CH5 和 CH7 都是相邻通道）之间透过采样电容发生耦合，而使转换结果不准确。
3.3 模式和功能
ADC 的通道可配置为序列 A 或序列 B，序列 A 和序列 B 可单独设置不同的触发源。两个序列共有四种扫描方式：
序列 A 单次扫描；
序列 A 连续扫描；
序列 A 单次扫描，序列 B 单次扫描；
序列 A 连续扫描，序列 B 单次扫描。
各通道还可设置平均功能，可连续扫描设定次数后，计算转换的平均值，并将平均值保存到数据寄存器中；模拟看门狗 AWD 在通道转换结束后对转换结果进行比较，可生成通道比较中断和事件 ADC_CHCMP，在整个序列扫描结束后，根据各通道比较结果生成序列比较中断和事件 ADC_SEQCMP；可编程增益放大器 PGA，可对模拟输入信号放大后再转换；协同工作模式下，ADC1 和 ADC2 可同时转换或连续交替转换；模拟输入引脚可与 ADC 通道的自由映射，再结合协同模式，可实现对指定模拟输入的高频扫描。
3.4 序列 A 单次扫描模式
3.4.1 说明
在此模式下，ADC 执行单个或多个通道的单次扫描，并在转换完成后停止.
3.4.2 应用
该模式可以设置单个或多个通道。设置多个通道时，可实现对多个通道进行依次扫描，这些通道可设置不同的采样时间，用户不必在扫描过程中停止 ADC，即可以不同的采样时间重新扫描下一个通道，可避免额外的 CPU 负载以及繁重的软件开发。
该模式是最简单的 ADC 模式，应用方式灵活。如在系统启动前，可以用这种模式检测系统的一些状态信息，如电压、压力、温度等，以确定系统是否可以正常启动；在系统运行中，可用 这种模式，按需检测系统状态，以获取系统实时状态。
应用例程 adc_01_sa_base 给出了该模式的具体用法。
3.5 序列 A 连续扫描模式
3.5.1 说明
连续扫描模式可对单个通道或多个通道进行连续不断的扫描。连续扫描模式允许
ADC 在后台工作。因此，ADC 可在没有任何 CPU 干预的情况下对通道进行连续（循环）扫描通道。此外，还可以在连续扫描模式下使用 DMA，从而降低 CPU 负载。
3.5.2 应用
此模式设置单个通道时，可用于监视电池电压、测量和调节烤箱温度等应用。在用于调节烤箱温度时，系统将读取温度并与用户设置的温度进行比较。当烤箱温度达到所需温度时，关闭加热电阻器的电源。
设置多个通道时，与多通道单次扫描模式类似，只是在完成序列的最后一个通道后不会停止扫描，而是从第一个通道重新开始扫描并无限循环下去。多通道连续扫描模式，可用于监视多电池充电器中的多个电压和温度。系统在充电过程中读取每节电池的电压和温度。当电压或温度达到最大值时，将切断相应电池与充电器的连接。
应用例程 adc_01_sa_base 中有该模式的设置以及简单的应用方法。
3.6 双序列扫描模式
3.6.1 说明
此处将“序列 A 单次扫描、序列 B 单次扫描”和“序列 A 连续扫描、序列 B 单次扫描”两种模式整合为双序列扫描模式进行介绍。双序列扫描模式，只是在前两种模式中增加了序列 B 的扫描。双序列扫描模式下，序列 B 必须由外部引脚或内部事件触发转换，软件启动对序列 B 无 效，序列 A 可由软件启动扫描，也可由外部引脚或内部事件触发扫描。序列 B 的优先级高于 序列 A. 配置 ADC_CR1.RSCHSEL 为 0 时，当序列 A 被中断后，恢复时，从被中断通道继续扫描.
3.6.2 应用
可在前两种模式的应用中，加入需要实时响应（更高优先级）扫描的通道，将其配置为序列B。例程 adc_04_sa_sb_event_trigger 实现了双序列扫描的基本用法。
3.7 转换数据平均功能
3.7.1 说明
转换数据平均功能，可设置连续扫描 2、4、8、16、32、64、128 或 256 次后，将转换结果平均后，保存到数据寄存器。该功能可去除一定的噪声成分，使结果更加准确。该功能的优势是可以在无任何硬件变更的情况下提高 ADC 的准确度，缺点是降低了转换速度和频率（相当于降低了有效采样率）。
3.7.2 应用
针对不同的应用，可设置不同的连续扫描次数，该次数取决于需要的精度、最低转换速度等。应用笔记没有单独为该功能提供例程，在例程 adc_01_sa_base 中有该功能的配置方式。
3.8
模拟看门狗
3.8.1
说明
HC32F460 系列 MCU 的模拟看门狗，可配置为上下限比较或区间比较。用户可预先设置比较条件和相应的上下限或区间。在通道转换结束后，模拟看门狗对转换结果
进行比较，如果满足比较条件，则产生通道比较中断和事件 ADC_CHCMP，在整个序列扫描结束后，根据各通道比较结果生成序列比较中断和事件 ADC_SEQCMP。每个使能模拟看门狗的通道，只要其转换结果满足比较条件，都会产生一次中断和事件 ADC_CHCMP；每个序列，只要其中一个通道的转换结果满足比较条件，都会产生中断和事件 ADC_SEQCMP。在条件满足后，一个序列只产生一次中断和事件 ADC_SEQCMP。也就是，一个 ADC 模块，一轮
扫描结束后，可产生多次中断和事件 ADC_SEQCMP，最多两次（因为最多只有两个序列）中断和事件 ADC_SEQCMP。
注意：
- 不推荐同时使用 ADC_CHCMP 中断和 ADC_SEQCMP 中断。
3.8.2
应用
在一些控制系统中，需要严格监测电压、压力、温度等信号的范围，使用模拟看门狗能够快速地检测到这些信号的异常状况，并做出相应的应对措施，以确保设备安全。例程adc_08_sa_sb_awd_base 给出了模拟看门狗的配置和基本应用方法；但通常，模拟看门狗的中断用法更为高效，应用也更为普遍，例程 adc_09_sa_sb_awd_interrupt 给出了模拟看门狗的中断配置和用法。
3.9
内部模拟通道
3.9.1
说明
ADC1 和 ADC2 都具有一个用于检测内部模拟输入的通道，分别为通道 16 和通道 8，用来检测三个可选择的内部模拟输入量，内部基准电压、8bitDAC1 输出8bitDAC2 输出。
注意：
- 只能选择 ADC1 和 ADC2 其中之一的内部检测通道，来检测三个内部模拟输入的其中一个，不能同时使用 ADC1 和 ADC2 的内部检测通道。
3.9.2
应用
在一些系统中，可能由于某些原因导致 ADC 的参考电压不稳定，从而无法知道模拟输入的实际电压值，这时，可用 ADC1 或 ADC2 的内部检测通道，来检测内部基准电压（在系统工作电压正常时恒为 1.1V），来反推 ADC 当前的参考电压，从而得知模拟输入当前的实际电压值。具体实现如下：
1.
在某已知参考电压 VREF1 下测得内部基准电压的 ADC 值为 VAL1；
2.
随着系统的运行，参考电压可能随着供电源（如电池）的电压降低而下降，此时测得内部基准电压的 ADC 值为 VAL2，设此时参考电压为 VREF2；
3.
由于内部基准电压是恒定的，所以有：
VAL1 × VREF1 = VAL2 × VREF2;
VREF2 = (VAL1 × VREF1) / VAL2;
由此已知当前参考电压为 VREF2，就不难得到模拟输入的实际电压了。
例程 adc_10_internal_channel 展示了内部通道的各种配置和简单用法。
3.10 可编程增益放大器 PGA
3.10.1 说明
HC32F460 系列 MCU 集成了可编程增益放大器 PGA，能对模拟信号进行放大处理，可节省MCU 外接运算放大器的硬件成本。PGA 电路先将模拟信号进行放大，然后再将放大后的模拟信号输出至 ADC 模块进行采样转换。
注意：
-
只有 ADC1 支持 PGA；
-
PGA 通道直接与模拟输入引脚对应，其对应引脚映射的通道必须被 ADC1 序列 A 或序列B 的通道选择寄存器选中，才可对该模拟输入进行放大。
3.10.2 应用
用户可根据实际的应用场景，选择合适的放大倍数，对模拟输入进行放大。模拟输入电压和放大倍数必须满足如下条件：
0.1*VCCA/Gain <= VI <= 0.9*VCCA/Gain
其中，VCCA 是模拟电源电压，Gain 是放大倍数，VI 是模拟输入电压，具体请参考用户手册PGA 相关部分。关于 PGA 的配置和用法，请参考例程 adc_12_adc1_pga。
3.11 协同模式
HC32F460 系列 MCU 具有两个 ADC 模块，可使用 ADC 协同工作模式。在协同工作模式下，转换启动只能由 ADC1 的触发源触发启动，且软件启动无效。
协同模式可配置为以下四种协同模式：
单次并行触发模式
单次延迟触发模式
循环并行触发模式
循环延迟触发模式
注意：
-
协同模式只能由 ADC1 配置；
-
设置为协同工作模式的 ADC，其配置（扫描模式、分辨率和数据对齐方式等）应尽量相同；具体通道无需相同，但是通道数量及对应采样时间应相同；
-
使用单次触发时，请将协同工作模式的 ADC 设置为序列 A 单次扫描或循环扫描；使用循环触发模式时，请设置为序列 A 单次扫描；
-
禁止多个 ADC 模块同时对一个模拟输入进行采样；
-
请严格按照用户手册协同模式相关部分的说明，来设置采样时间（ADC_SSTR 寄存器）和协同模式控制寄存器 ADC_SYNCCR 的 SYNCDLY。
-
请禁止序列 B，以免打乱同步。
3.11.1 单次并行触发模式
3.11.1.1 说明
该模式下，ADC1 序列 A 的触发条件同时触发处于协同工作模式的所有 ADC 模块， ADC1 序列 A 的触发条件只触发处于协同工作模式的 ADC 模块一次，这些 ADC 模块在采样转换一次后，是否停止，视其序列 A 扫描模式而定。
3.11.1.2 应用
并行触发的特点是，处于协同工作模式的 ADC 能同时对各自的模拟输入进行采样转换。例如，测量单相或三相瞬时电功率并绘制其曲线：Pn(t) = Un(t) × In(t)。在这种情况下，应同时测量电压和电流，然后计算瞬时功率，即电压 Un(t) 与电流 In(t)的乘积。要测量单相电功率，可将 ADC1 的一个通道和 ADC2 的一个通道配合使用，一个通道测量电压，一个通道测量电流，如图 3-9；要测量三相电功率，可将 ADC1 的三个通道和 ADC2 的三个通道配合使用，三个通道测量电压，三个通道测量电流。
如果只需要测量某一时刻的瞬时功率，使用单次并行触发模式即可；如果要连续测量，可结合定时器使用，用定时器定时触发该协同模式，或结合序列 A 连续扫描模式，或用循环并行触发模式，具体可根据需要的扫描频率等需求选择合适的解决方法。
3.11.2 单次延迟触发模式
3.11.2.1 说明
ADC1 序列 A 的触发条件触发 ADC1 后，经过设定的延迟后触发 ADC2 启动采样转换。ADC1 序列 A 的触发条件只触发处于协同工作模式的 ADC 模块一次，这些 ADC 模块在采样转换一次后，是否停止，视其序列 A 扫描模式而定。
3.11.2.2 应用
结合序列 A 连续扫描模式，可实现对同一模拟输入的高频采样。例如，如果要转换的信号的最大频率为 2.5MHz，则采样率应该大于或等于该信号频率的二倍（符合香农采样定理）。
由于一个 ADC 的最大采样率为 2.5MSPS，达不到采样定理的要求。此时，可通过这种方式将采样率提高到 5MSPS。关键设置如下：
1.
设置 ADC 时钟为 60MHz；
2.
ADC1 和 ADC2 设置扫描模式为序列 A 连续扫描；
3.
ADC1 和 ADC2 配置同一个模拟输入，并设置相同的采样周期数 ADC_SSTR = 11；
4.
配置同步模式为单次延迟触发，并设置同步延迟时间 ADC_SYNCCR.SYNCDLY = 12。
注意：
- 不要为了更高的采样率而缩减采样时间 ADC_SSTR，采样时间过短可能会使转换结果的
误差超出误差值的设计范围。
建议：强烈建议使用 DMA 而非中断，以免数据丢失。
3.11.3 循环并行触发模式
3.11.3.1 说明
该模式下，ADC1 序列 A 的触发条件同时触发处于协同工作模式的所有 ADC 模块。若设置为单次并行触发，那么所有 ADC 模块在转换一次后就停止转换（如果扫描模式是序列 A 单次扫描）；若设置为循环并行触发，在 ADC1 序列 A 的触发条件同时触发处于协同工作模式
的所有 ADC 模块后，每经过指定延迟之后，所有 ADC 模块会再次同时触发转换，如此循环，直到用户主动软件停止 ADC1 模块或禁止协同模式。
3.11.3.2 应用
如果需要连续测量某模拟信号，可使用该模式，比如前面的测量电功率的应用。
3.11.4 循环延迟触发模式
3.11.4.1 说明
ADC1 序列 A 的触发条件触发 ADC1 之后，每经过设定的延迟后，依次循环不断触发 ADC2、ADC1、ADC2……，直到用户主动软件停止 ADC1 模块或禁止协同模式。
3.11.4.2 应用
该模式适用用于一些，需要对模拟输入进行循环交替采样而对采样率要求不是很高的应用。这里简单介绍下循环延迟触发模式采样率的计算方法。
假设如下条件：
1.
ADC 时钟为 60MHz；
2.
采样时间 ADC_SSTR 设置为 11；
3.
由 17.3.8 节和 17.4.16 节相关要求，SYNCDLY 可设置为 17。
4 总结
本应用笔记简要介绍了 HC32F460 系列 ADC 模块的各种功能以及可能的应用场景，并给出了ADC 模块应用的基本流程，还提供了一种测试高频采样率的方法，在实际开发中，用户可根据具体应用场景按需配置和应用 ADC 模块。