STM32F37x/38x SDADC （Sigma-Delta ADC）入门

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STMCU小助手发布时间：2022-7-17 22:22

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文章简介:	STM32F37x/38x SDADC （Sigma-Delta ADC）入门

前言
STM32F37x/38x 系列微控制器整合了带有 DSP 与 FPU 指令、工作频率为 72 MHz 的 32 位ARM Cortex-M4 内核和高级模拟外设。
此系列是 Cortex-M4 内核和精确 16 位 Sigma-Delta ADC 的结合。
本文概述了 SDADC 的主要特性，并演示了怎样在各种应用案例中使用 SDADC。本文用举例的方法演示了四个应用案例。
1. 使用 PT100 的温度测量
2. 使用 MPX2102A 的压力测量
3. 录音机
4. 心电图（ECG）捕获
为帮助您快速上手，四个应用案例都用 C 语言实现，并作为 STM32F37x/38x DSP 和标准外设库包 stm32f37x_dsp_stdperiph_lib 和 STM32373C-EVAL 演示固件包 stm32373c-eval_fw.的一部分
请注意，本文并不能取代 STM32F37x/STM32F38x 参考手册 RM0313 中的 Sigma-Delta 模数转换器（SDADC）一节。
本文中给出的所有数值仅作参考。请参考相关的数据手册以获取有效的最新数据。

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1 sigma-delta 转换器基础
Sigma-delta 转换器又称过采样转换器，它包含两个基本电路：调制器和数字滤波器（图 1）。
在调制器中，输入信号被加至数模转换器（DAC）输出的负反馈信号。通过集成电路之后，信号的差值到达比较器的输入（1 位 ADC），在此与参考电压比较（比较器作为 1 位量化器工作）。比较器的输入信号（1 位 ADC）控制着 1 位转换器，到达数字滤波器的输入。数字滤波器降低流速，将 1 位的流转换为 16 位的字。使用的滤波器拓扑确保了低通的阶为 Sinc³。

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2 16 位 SDADC 概述
2.1 主要特性
STM32F37x/38x 器件具有三个嵌入式 Sigma-Delta 模数转换器（SDADC）。它们可以同步，且每一个都有下列主要特性：
● 有效位数（ENOB）等于 14 位
● 5 个差分输入对，或者 9 个单端输入，或它们的组合
● 高性能数据吞吐量：
– 当在不同通道之间复用时，为 16.6 ksps 输入采样率
– 单通道工作时为 50 ksps 输入采样率
● 可编程增益：x0.5、 x1、 x2、 x4、 x8、 x16 及 x32
● 可选参考电压：VDDSD、 1.22 V、 1.8 V 及 VREF

2.1.1 时钟选择
SDADC 时钟由 SDADCCLK 提供，它按可选的倍数将系统时钟（SYSCLK）预分频：2、4、 6、 8、 10、 12、 14、 16、 20、 24、 28、 32、 36、 40、 44 和 48。
SDADC 的典型工作频率为快速模式下 6 MHz 及慢速模式下 1.5 MHz。
示例：
如果 SYSCLK 设为 72 MHz，则 SDADC 分频器应设为 SYSCLK/ 典型频率：
快速模式：预分频 = 72 MHz / 6 MHz = 12
低速模式：预分频 = 72 MHz / 1.5 MHz = 48

2.1.2 输入模式
SDADC 有三种可能的输入模式，也可组合使用。
● 差分模式：
● 单端偏移模式
● 单端零参考模式

差分模式
当所用传感器产生的信号非常小，易受噪声影响时，推荐使用差分模式。当使用热电偶和桥式传感器（压力传感器）时，尤其如此。
在差分模式中，SDADC 转换的是 SDADCx_AINyP 和 SDADCx_AINyM 的差值。结果可能是正值或负值，取决于哪个输入电压更高。
注 : SDADC 无法测量负电压，并且每个通道的输入电压都必须在器件的电气极限之内。
输入范围为 [-Vref/(2*gain), + Vref/(2*gain)]，转换值范围为 [-32767, +32767]

示例：
对于 1.22V 的参考电压， 1 倍增益，输入范围为 +/- 0.61V
公式为：
Vin = SDADCx_AINyP - SDADCx_AINyM = ReadData * Vref/(2 x gain x 32767)
其中， ReadData 为 SDADC 数据寄存器的两个补充读数据（SDADCx_JDATAR 或SDADCx_RDATAR）

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单端偏移模式
在单端偏移模式中，通过将负输入内部连至0 V进行转换，负输入的相应引脚（SDADCx_AINyM）可用作其它用处。要测量的信号施加于正输入 SDADCx_AINyP。此工作模式与差分模式类似，只是输出数据范围仅为 0 到 +32767，而不是 –32767 到 +32767，因此有一半的动态范围损失，导致 SNR 下降。
公式为：
Vin = SDADCx_AINyP = ReadData * Vref/(2 x 增益 x 32767)
其中， ReadData 为 SDADC 数据寄存器的两个补充读数据（SDADCx_JDATAR 或SDADCx_RDATAR）

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单端零参考模式
信号施加于正输入 SDADCx_AINyP，负输入设为信号参考（一般为 0 V）。此模式将一半标度的输入共模注入 ADC，以此保持了与差分模式一样的动态范围（-32767 到 +32767）。在此模式中，注入的共模取决于增益变化。
公式为：
Vin = SDADCx_AINyP = (ReadData + 32767) * Vref/( 增益 x 65535)
其中， ReadData 为 SDADC 数据寄存器的两个补充读数据（SDADCx_JDATAR 或SDADCx_RDATAR）

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2.1.3 SDADC 电压参考
SDADC 可从四个源中选择：
1. VREFINT1：1.2V 嵌入式参考电压
2. VREFINT2：1.8V 嵌入式参考电压
3. VDDSD：SDADC 模拟供电电压。范围为 2.2 V 至 3.6 V
4. VREFSD+：外部 SDADC 参考电压。范围为 1.1 V 至 VDDSD
下表显示了使用三种可能的参考时的每位电压权重（步进大小）。

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