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Cours Complet · Systèmes Embarqués · STM32F4xx

// ADC · Convertisseur Analogique-Numérique Du Zéro à l'Expert

Architecture SAR, registres bas niveau, drivers HAL, DMA circulaire et 5 problèmes réels avec code C complet. Chaque bit expliqué. Zéro hypothèse.

12Modules

5Problèmes

12-bitRésolution

2.4MSPS Max

4096Niveaux

Module 00

Fondements de la Conversion Numérique

Quatre piliers théoriques universels — ils s'appliquent à tout ADC. Maîtrisez ces bases avant de toucher un registre.

Pilier 01

Échantillonnage

Prélever des instantanés du signal continu à intervalle régulier Ts.

Pilier 02

Sample & Hold

Geler la tension d'entrée pendant toute la durée de la conversion.

Pilier 03

Shannon-Nyquist

fs ≥ 2·fmax pour reconstruire le signal sans aliasing.

Pilier 04

SAR

Approximations successives : N bits = N cycles de recherche binaire.

V_in = (Code / (2^N − 1)) × V_REF

FIG. 0.1 — Pipeline complet d'une conversion ADC

Module 01

① Échantillonnage

Un signal analogique est continu dans le temps. Un MCU ne peut pas traiter l'infini — il prélève des mesures à des instants discrets nTs.

Définitions fondamentales

Symbole	Nom	Unité
Ts	Période d'échantillonnage	secondes
fs	Fréquence d'échantillonnage	Hz = 1/Ts
x(t)	Signal analogique continu	Volts
x[n]	x(n·Ts) — séquence discrète	n = 0,1,2…

Physique de l'opération

À chaque instant nTs, un MOSFET interne se ferme quelques nanosecondes. La tension est capturée sur le condensateur interne (~4 pF). Le MOSFET se rouvre et la conversion commence.

ℹ️

STM32F4 — registre SMPR

Durée du S/H : 3 / 15 / 28 / 56 / 84 / 112 / 144 / 480 cycles d'horloge CAN.

FIG. 1.1 — Points ambre = échantillons prélevés à fréquence fs = 1/Ts

Module 02

② Blocage — Sample & Hold

La conversion SAR dure plusieurs cycles. Pendant ce temps, l'entrée ne doit pas changer. Le S&H gèle la tension grâce à un condensateur isolé.

Phase 01

TRACK

S1 fermé. Condensateur se charge à Vin. Vout = Vin en temps réel.

Phase 02

HOLD

S1 ouvert. Charge isolée. Vout constant même si Vin change. SAR commence.

Phase 03

CONVERT

SAR compare Vout (bloqué) bit par bit. 12 cycles pour 12 bits.

Phase 04

ACQUIRE

S1 se referme. Condensateur se recharge. Durée minimale = t_acq.

⚠️

Temps d'acquisition et impédance source

Pour une thermistance 10 kΩ utiliser ADC_SAMPLETIME_480CYCLES. Pour un potentiomètre ≤ 1 kΩ, 3 cycles suffisent.

t_acq ≥ 9 · R_source · C_ADC  =  9 × 10 000 × 4×10⁻¹²  ≈  0,36 µs

Module 03

③ Théorème de Shannon-Nyquist

Trop lentement → repliement spectral (aliasing). Shannon démontre la condition minimale absolue pour une reconstruction parfaite.

Théorème de Shannon-Nyquist — 1949

f_s  ≥  2 · f_max

Pour reconstruire parfaitement un signal de fréquence max f_max, la fréquence d'échantillonnage f_s doit être au moins le double.

f_Nyquist = fs / 2

Limite max représentable

STM32F4 : fs max = 2,4 MSPS

→ Signaux jusqu'à 1,2 MHz

Application	f_max signal	fs minimum	fs pratique
🌡️ Température NTC	~0,1 Hz	0,2 Hz	1 Hz
🔋 Tension batterie	~10 Hz	20 Hz	100 Hz
🕹️ Joystick	~50 Hz	100 Hz	1 kHz
🎙️ Son / voix	~4 kHz	8 kHz	8–16 kHz
🎵 Audio hi-fi	~20 kHz	40 kHz	44,1 / 48 kHz
⚡ Courant DC/DC	~100 kHz	200 kHz	1 MHz+

Module 04

④ Approximations Successives (SAR)

Comment transformer une tension en binaire ? Le SAR applique la recherche binaire. N bits = N cycles. MSB d'abord, LSB en dernier.

FIG. 4.1 — Trace complète SAR 4 bits · STM32F4 : 12 cycles → résolution 0,806 mV/LSB @ 3,3V

📊 Résolution & LSB

1 LSB = V_REF / (2^N − 1)

Résolution	Niveaux	LSB @ 3,3V
6 bits	64	51,6 mV
8 bits	256	12,9 mV
10 bits	1 024	3,22 mV
12 bits	4 096	0,806 mV

⏱️ Temps de Conversion

t_total = (t_S/H + 12,5) / f_ADC

S/H	@ 21 MHz	Débit max
3 cycles	738 ns	1,35 MSPS
84 cycles	4,60 µs	217 kSPS
480 cycles	23,4 µs	42,7 kSPS

Module 05

📝 Exercices de Vérification

Quatre questions clés avec réponses directes — testez votre compréhension des bases.

Q1 — Théorème de Shannon

Capteur de vibrations, fréquence maximale 8 kHz. Fréquence d'échantillonnage minimale ?

✅ 16 000 Hz — fs ≥ 2 × 8 000 = 16 000 Hz

Q2 — Résolution & LSB

CAN 12 bits, V_REF = 3,3 V, valeur brute = 1638. Tension d'entrée ?

✅ 1,320 V — V = (1638 / 4095) × 3,3 = 1,320 V

Q3 — Cycles SAR

CAN SAR 12 bits — combien de cycles pour la conversion seule (sans S/H) ?

✅ 12,5 cycles — 12 décisions + 0,5 cycle de synchronisation

Q4 — Durée totale

APB2 = 84 MHz, prescaler /4 → f_ADC = 21 MHz, S/H = 84 cycles. Durée totale ?

✅ 4,595 µs — t = (84 + 12,5) / 21 000 000

Module 06

Architecture du CAN STM32F4

Jusqu'à trois CAN 12 bits (ADC1/2/3), jusqu'à 19 canaux, capteurs internes. Horloge dérivée de l'APB2.

⚡

Architecture SAR

Recherche binaire : compare l'entrée bit par bit à une tension CNA interne. 12 cycles = résultat 12 bits. Jusqu'à 2,4 MSPS.

🕐

Horloge CAN

Dérivée de l'APB2 (max 84 MHz) divisée par 2, 4, 6 ou 8. Horloge CAN max = 36 MHz. Typiquement 84/4 = 21 MHz.

📦

Trois instances

ADC1, ADC2, ADC3 — indépendants ou couplés. Seul ADC1 accède au capteur de température interne et à VREFINT.

🎯

Modes de conversion

• Unique : une conversion, puis stop
• Continu : boucle automatique
• Balayage : séquence de canaux
• Discontinu : N canaux / déclenchement

🔴

Plage de tension d'entrée

Toujours entre V_REF− (GND) et V_REF+. Sur Nucleo/Discovery : V_REF+ = VDD = 3,3 V. N'appliquez jamais plus de 3,3 V — destruction immédiate.

Module 07

Registres Clés

Même avec HAL, comprendre les registres est fondamental. Chaque appel HAL finit par écrire dans ces bits.

ADC_CR1 — Contrôle 1

31

—

26

OVRIE

25–24

RES[1:0]

23

AWDEN

13–11

DISCNUM

10

DISCEN

8

SCAN

5

EOCIE

4–0

AWDCH

ADC_CR2 — Contrôle 2

31

SWSTART

29–28

EXTEN

11

ALIGN

10

EOCS

8

DMA

1

CONT

0

ADON

Registre	Bit(s)	Description	HAL équivalent
ADC_CR1	RES[1:0]	Résolution : 00=12b 01=10b 10=8b 11=6b	hadc.Init.Resolution
ADC_CR1	SCAN	Mode balayage multi-canaux	hadc.Init.ScanConvMode
ADC_CR2	ADON	Mise sous tension du CAN	HAL_ADC_Start()
ADC_CR2	CONT	Mode continu automatique	hadc.Init.ContinuousConvMode
ADC_CR2	DMA	Active requêtes DMA	HAL_ADC_Start_DMA()
ADC_CR2	SWSTART	Déclenchement logiciel	HAL_ADC_Start()
ADC_DR	[11:0]	Registre de données (lecture efface EOC)	HAL_ADC_GetValue()

Module 08

Configuration CubeMX + HAL

Chaque option de configuration HAL expliquée — pourquoi elle existe et ce qu'elle fait au niveau registres.

01

Sélectionner le MCU

STM32CubeMX → "Start from MCU" → STM32F407VGTx → toolchain STM32CubeIDE.

02

Activer le périphérique ADC

Analogique → ADC1 → activer IN0 → PA0 passe automatiquement en mode Analogique.

03

Paramètres clés

Prescaler /4 (21 MHz), Résolution 12b, Alignement Droit, Balayage OFF, Mode Continu OFF.

f_ADC = f_APB2 / Prescaler  ≤  36 MHz

04

Code généré par CubeMX

MX_ADC1_Init — C / HAL

static void MX_ADC1_Init(void) {
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  hadc1.Instance              = ADC1;
  hadc1.Init.ClockPrescaler   = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
  hadc1.Init.Resolution       = ADC_RESOLUTION_12B;
  hadc1.Init.ScanConvMode     = DISABLE;
  hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
  hadc1.Init.DataAlign        = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
  hadc1.Init.NbrOfConversion  = 1;
  if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK) Error_Handler();
  sConfig.Channel      = ADC_CHANNEL_0;
  sConfig.Rank         = 1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;
  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) Error_Handler();
}

Mode Scrutation (Polling)

main.c — Polling

uint32_t adc_raw; float voltage; char buf[64];
while (1) {
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
  adc_raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
  HAL_ADC_Stop(&hadc1);
  voltage = ((float)adc_raw / 4095.0f) * 3.3f;
  sprintf(buf, "Raw: %lu | V: %.3f V\r\n", adc_raw, voltage);
  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
  HAL_Delay(500);
}

Module 09

CAN avec DMA — Charge CPU Nulle

Le DMA transfère chaque résultat directement en RAM sans intervention CPU. Indispensable pour l'acquisition multi-canaux haute vitesse.

ℹ️

Mapping DMA fixe en matériel

ADC1 → DMA2, Stream 0, Channel 0. Non configurable. Consultez le tableau "DMA2 request mapping" du Reference Manual RM0090.

main.c — ADC + DMA Circulaire

/* Buffer GLOBAL — jamais sur la pile ! */
uint32_t dma_buf[4];
volatile uint8_t dma_ready = 0;

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, dma_buf, 4);

while (1) {
  if (dma_ready) {
    dma_ready = 0;
    float ch0 = (dma_buf[0] / 4095.0f) * 3.3f;
    float ch1 = (dma_buf[1] / 4095.0f) * 3.3f;
    display_update(ch0, ch1);
  }
}

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) {
  if (hadc->Instance == ADC1) dma_ready = 1;
}

Scan Mode — 4 canaux + capteur température

hadc1.Init.ScanConvMode          = ENABLE;
hadc1.Init.NbrOfConversion       = 4;
hadc1.Init.ContinuousConvMode    = ENABLE;
hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE;

ADC_ChannelConfTypeDef sConfig;
sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0; sConfig.Rank = 1;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_84CYCLES;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_1; sConfig.Rank = 2;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

/* Capteur Température — 480 cycles obligatoires */
sConfig.Channel      = ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR;
sConfig.Rank         = 4;
sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_480CYCLES;
HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);

uint32_t buf[4];
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, buf, 4);

Module 10 — Exercices Pratiques

5 Problèmes Réels

Situations terrain avec code C complet — toutes les solutions sont affichées directement.

🎛️

Problème 01 · Débutant

Lecture d'un Potentiomètre

Canal unique · Scrutation · ⭐ Débutant

📋 Énoncé

Potentiomètre 10 kΩ entre 3,3 V et GND, curseur sur PA0. Lire en scrutation toutes les 500 ms, convertir en tension et pourcentage, envoyer via UART2 à 115 200 bps.

Q1

Formule : Brut = 3072, VREF = 3,3V, 12 bits → Tension = 2,476 V

💡 V = (brut / 4095) × 3,3

Q2

Séquence HAL : Start → PollForConversion → GetValue → Stop

Q3

Durée : 3 cycles S/H @ 21 MHz → 0,738 µs

✅ Solution Complète

Solution P1 — Potentiomètre

uint32_t raw; float v, pct; char buf[80];
while (1) {
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
  raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
  HAL_ADC_Stop(&hadc1);
  v   = ((float)raw / 4095.0f) * 3.3f;
  pct = ((float)raw / 4095.0f) * 100.0f;
  sprintf(buf, "%.1f%%  %.3f V\r\n", pct, v);
  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t*)buf, strlen(buf), 100);
  HAL_Delay(500);
}

🌡️

Problème 02 · Intermédiaire

Capteur de Température Interne

Canal interne · Calibration usine · ⭐⭐

📋 Énoncé

STM32F407 intègre un capteur sur ADC1_IN16. Données usine : TS_CAL1 @ 0x1FFF7A2C (30°C), TS_CAL2 @ 0x1FFF7A2E (110°C). Afficher température °C chaque seconde.

✅ Solution Complète

Clé

Activer le bit TSVREFE (bit 23) dans ADC_CCR avant toute lecture. Désactivé par défaut.

Solution P2 — Température interne

float ReadTemperature(void) {
  ADC->CCR |= ADC_CCR_TSVREFE;
  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
  sConfig.Channel      = ADC_CHANNEL_TEMPSENSOR;
  sConfig.Rank         = 1;
  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_480CYCLES;
  HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
  uint32_t raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
  HAL_ADC_Stop(&hadc1);
  uint16_t *cal1 = (uint16_t*)0x1FFF7A2C;
  uint16_t *cal2 = (uint16_t*)0x1FFF7A2E;
  return (110.0f-30.0f) / ((float)(*cal2-*cal1))
         * ((float)raw - *cal1) + 30.0f;
}

💡

Problème 03 · Intermédiaire

Contrôle Automatique de Luminosité (LDR)

Hystérésis · ⭐⭐

📋 Énoncé

LDR en diviseur de tension → PA1. Allumer LED sur PD12 si sombre (ADC > 3000), éteindre si clair (ADC < 1000). Implémenter une zone d'hystérésis.

✅ Solution Complète

Solution P3 — LDR + Hystérésis

#define THR_DARK   3000
#define THR_BRIGHT 1000
static uint8_t led = 0;

HAL_ADC_Start(&hadc1);
HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100);
uint32_t raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
HAL_ADC_Stop(&hadc1);

if (!led && raw > THR_DARK) {
  led = 1;
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_SET);
} else if (led && raw < THR_BRIGHT) {
  led = 0;
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_12, GPIO_PIN_RESET);
}

🔋

Problème 04 · Avancé

Moniteur de Tension Batterie LiPo

Diviseur · Suréchantillonnage · ⭐⭐⭐

📋 Énoncé

LiPo 1S : 3,0V–4,2V. Diviseur R1=R2=100kΩ → PA4. Suréchantillonnage ×16. Afficher tension réelle, SoC (0–100%), alarme si V < 3,2V.

✅ Solution Complète

Solution P4 — Batterie LiPo

#define N_OS 16
uint32_t sum = 0;
for (int i=0; i<N_OS; i++) {
  HAL_ADC_Start(&hadc1);
  HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
  sum += HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
  HAL_ADC_Stop(&hadc1);
}
float v_adc = ((float)(sum/N_OS) / 4095.0f) * 3.3f;
float v_bat = v_adc * 2.0f;
float soc   = (v_bat - 3.0f) / (4.2f - 3.0f) * 100.0f;
if(soc < 0) soc = 0;
if(soc > 100) soc = 100;
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_14,
  v_bat < 3.2f ? GPIO_PIN_SET : GPIO_PIN_RESET);

🕹️

Problème 05 · Avancé

Joystick Double Axe avec DMA

2 canaux · DMA Balayage · Zone morte · ⭐⭐⭐

📋 Énoncé

Joystick : axe X sur PA0, axe Y sur PA1. DMA balayage continu. Normaliser −1,0 à +1,0. Zone morte ±150 pts autour du centre (2048). Sortie PWM moteur @ 50 Hz.

✅ Solution Complète

Solution P5 — Joystick DMA

uint32_t joy[2];
#define CENTER 2048
#define DZ     150

float deadzone(uint32_t raw) {
  int32_t e = (int32_t)raw - CENTER;
  if (e > -DZ && e < DZ) return 0.0f;
  float v = ((float)e - (e > 0 ? DZ : -DZ)) / (float)(CENTER - DZ);
  return v > 1.0f ? 1.0f : v < -1.0f ? -1.0f : v;
}

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, joy, 2);
while(1) {
  float x = deadzone(joy[0]);
  float y = deadzone(joy[1]);
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t)(500 + x * 500));
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, (uint32_t)(500 + y * 500));
  HAL_Delay(20);
}

Module 11

Conseils Pro & Erreurs Courantes

Ce qui distingue un débutant d'un ingénieur embarqué professionnel — condensé de leçons terrain.

⚡

Guide Temps S/H

Impédance	S/H recommandé
< 1 kΩ	3 – 15 cycles
1 – 10 kΩ	28 – 56 cycles
> 10 kΩ	84 – 480 cycles
Temp. interne	480 cycles

🚫

Ne Jamais Faire

• ❌ Appliquer >3,3V sur broche ADC
• ❌ Broche GPIO flottante
• ❌ Oublier volatile sur buffer DMA
• ❌ TSVREFE non activé
• ❌ Buffer DMA sur la pile
• ❌ Horloge ADC > 36 MHz

🔌

Filtre Anti-Repliement

R = 1 kΩ en série + C = 100 nF vers GND → f_coupure ≈ 1,6 kHz. Placer le plus proche possible de la broche MCU.

🧮

Quel Mode Choisir ?

Mode	Usage
Scrutation	Débutant, <1 Hz
Interrupt	Événementiel
DMA Single	1 canal rapide
DMA Scan	Multi-capteurs

🧮 Calculateur de Temps de Conversion — Exemple

f_ADC = 84 MHz / 4 = 21 MHz

t_conv = (84 + 12,5) / 21 000 000 = 4,595 µs

Débit max ≈ 217 600 SPS par canal

📚 Référence Rapide HAL

Fonction HAL	Action registre	Usage
HAL_ADC_Init()	Écrit CR1, CR2, SMPR	Init obligatoire
HAL_ADC_ConfigChannel()	Configure SQR, SMPR	Séquenceur
HAL_ADC_Start()	SWSTART ← 1 dans CR2	Scrutation
HAL_ADC_PollForConversion()	Scrute EOC dans SR	Attente bloquante
HAL_ADC_GetValue()	Lit ADC_DR	Récupère résultat
HAL_ADC_Stop()	ADON ← 0 dans CR2	Arrêt propre
HAL_ADC_Start_DMA()	DMA + CONT bits	Mode DMA circulaire
HAL_ADC_Stop_DMA()	DMA ← 0, ADON ← 0	Arrêt DMA

STM32F4 ADC 12-bit HAL DMA CubeMX C Embarqué SAR Shannon

RM0090 Rev 19  ·  HAL STM32F4xx UM1725  ·  Datasheet STM32F407  ·  ADC1/2/3 · 12-bit SAR · 2,4 MSPS