本文以GD32F103为例，深入解析ADC（模数转换器）内部关键参数，如采样开关电阻（Rsh）、采样电容（Csh）、转换时间（Tconv）与采样率（fs），并通过与STM32F103的对比及实例计算，阐明如何配置ADC以实现最优性能，为嵌入式硬件设计提供参考。
ADC内部结构概览
要理解ADC的性能极限，首先需要了解其内部的简化结构。下图展示了一个典型的ADC连接模型，其中包含了关键的内部寄生参数。
ADC典型连接示意图，显示了内部采样开关电阻（RADC）、采样电容（CADC）以及外部信号源的寄生参数。
GD32F103与STM32F103 ADC关键参数对比
不同厂商的MCU，其ADC模块的特性参数存在差异。以下是GD32F103与STM32F103x8芯片的部分ADC特征参数，设计时需以具体型号的数据手册为准。
GD32F103的ADC供电电压、输入电压范围等基本参数。
STM32F103x8的ADC特性表，包含更详细的精度与电气参数。
核心参数解读与计算
在硬件设计与软件配置中，以下几个参数至关重要：
- fs（Sampling rate）：采样率，即每秒完成的转换次数。
- Tconv / fADCCONV（ADC conversion time）：完成一次模数转换所需的时间。
- RADC（Input sampling switch resistance）：内部采样开关的导通电阻。
- CADC（Input sampling capacitance）：内部采样电容的容值。
在常见的开发例程（如正点原子）中，配置通常遵循以下步骤：
- 设定系统主频（如72MHz）。
- 配置ADC时钟分频因子（如6分频）。
- 设定通道采样时间（通常为最大值以保证精度，如239.5个周期）。
转换时间计算实例
假设系统时钟为72MHz，ADC分频为6，采样时间设置为1.5个周期：
- ADCCLK = 72MHz / 6 = 12MHz
- 单个ADC周期时间 = 1 / 12MHz ≈ 0.0833 µs
- 总转换时间 TCONV = 采样时间 + 12.5个固定周期 = 1.5 + 12.5 = 14个周期
- TCONV = 14 * 0.0833 µs ≈ 1.17 µs
因此，在12MHz ADCCLK下，最短采样间隔约为1.17µs。若采样时间设为最大值239.5个周期，则最长转换时间为 (239.5 + 12.5) / 12MHz ≈ 21µs。
外部输入阻抗限制
外部信号源阻抗（RAIN）会影响采样电容的充电速度，进而引入误差。数据手册提供了保证精度（如误差小于1/4 LSB）下的最大允许外部阻抗表。这要求我们在设计前端电路（如传感器接口、运放输出）时，必须考虑输出阻抗的匹配问题，这种系统级的思维在复杂的嵌入式设计中非常重要。
用于计算最大外部输入阻抗的公式及STM32F103的参考表格，确保采样精度。
利用TI计算工具辅助设计
德州仪器（TI）提供了一款在线的ADC建模工具，其参数模型与ST/GD的ADC类似，可用于快速评估和计算。
输入系统参数，工具可自动计算最小采集时间（tacq）等结果。
ADC误差分析与硬件设计要点
了解ADC的误差来源是进行高精度设计的基础。总误差（ET）包含偏移误差、增益误差等多种因素。
实际ADC转换曲线与理想曲线的偏差详解。
在硬件设计上，需特别注意参考电压的稳定性和输入阻抗的匹配。下图展示了STM32的输入阻抗匹配建议。
外部电路的等效输入阻抗需与ADC采样速度匹配，高速采样要求更低的外围阻抗。
ADC注入模式的高级应用
对于电机控制等需要多通道同步采样的高级应用，ADC的注入模式非常有用。它允许在一个常规转换序列中，插入高优先级的“注入”转换。
注入组与常规组的通道管理方式。
注入通道的特性，如独立的偏移寄存器、可编程采样时间。
注入转换如何中断并插入到常规转换序列中。
在电机矢量控制中实现多相电流同步采样的应用场景。
通过PWM定时器触发ADC注入组，实现精确的同步采样时序。
掌握ADC内部参数与外部电路的匹配，是稳定实现数据采集功能的关键。无论是基础的时钟配置，还是利用注入模式完成复杂控制，都需要开发者深入理解这些底层硬件知识，这与深入理解 网络/系统 原理一样，是构建可靠嵌入式系统的基石。
发表于 2025-12-27 11:20:19
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