[導(dǎo)讀] 本文來(lái)解析一個(gè)盆友在使用STM32采集電池電壓踩過(guò)的坑。以STM32F4 的ADC屬于逐次逼近SAR 型ADC為例進(jìn)行分析，參考STM32F405xx  Datasheet，對(duì)于如何編寫ADC程序就不做描述了。

先描述一下坑

采集電池電壓，利用兩個(gè)電阻將電池電壓分壓，然后送入單片機(jī)，當(dāng)電阻如上分別取4M歐/1M歐時(shí)，ADC采集到的ADC值與萬(wàn)用表測(cè)得的ADC輸入端相差很大，取30K歐以及10k歐時(shí)，則相差變小。

盆友咨詢我這是為什么？我給出了建議，先賣個(gè)關(guān)子，先來(lái)看看應(yīng)用最為廣泛的STM32單片機(jī)的一些特性。

STM32 ADC：

STM32 12位ADC是逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有多達(dá)19個(gè)多路復(fù)用通道，允許它測(cè)量來(lái)自16個(gè)外部源、2個(gè)內(nèi)部源和VBAT通道的信號(hào)。通道的A/D轉(zhuǎn)換可以在單次、連續(xù)、掃描或間斷模式下進(jìn)行。ADC的結(jié)果存儲(chǔ)在左對(duì)齊或右對(duì)齊的16位數(shù)據(jù)寄存器中。模擬看門狗功能允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入電壓是否超過(guò)用戶定義的、更高或更低的閾值。

主要功能，具體操作，怎么編程這些細(xì)節(jié)，有大量的資料就不羅嗦了，主要來(lái)看看電氣特性。

電氣特性

1. ADC 可支持采樣頻率 受供電電壓影響，供電電壓高，可支持采樣頻率范圍更高
2. 可支持輸入電壓 范圍須在參考電壓范圍內(nèi)
3. 外部輸入阻阻抗 最大為
4. 開關(guān)切換阻抗 最大為
5. 內(nèi)部采樣保持電容 為4pF

上面的公式用于確定誤差小于1/4 LSB時(shí)允許的最大外阻抗。N = 12(12位分辨率)，k是在ADC_SMPR1寄存器中定義的采樣周期數(shù)。

ADC精度vs.負(fù)注入電流:應(yīng)該避免在任何模擬輸入引腳上注入負(fù)電流，因?yàn)檫@會(huì)顯著降低在另一個(gè)模擬輸入上執(zhí)行轉(zhuǎn)換的精度。建議在模擬引腳上增加一個(gè)肖特基二極管(引腳接地)，這可能會(huì)注入負(fù)電流。

Page 136 圖例（上圖中標(biāo)識(shí)解釋）：

1. 見(jiàn)表68
2. 實(shí)際轉(zhuǎn)移曲線的示例。
3. 理想轉(zhuǎn)移曲線
4. 終點(diǎn)相關(guān)線
5. ET =未調(diào)整總誤差：實(shí)際和理想傳遞曲線之間的最大偏差。EO =偏移誤差：第一個(gè)實(shí)際過(guò)渡與第一個(gè)理想過(guò)渡之間的偏差。EG =增益誤差：最后一個(gè)理想過(guò)渡與最后一個(gè)實(shí)際過(guò)渡之間的偏差。ED =微分線性誤差：實(shí)際步長(zhǎng)與理想步長(zhǎng)之間的最大偏差。EL =積分線性誤差：任何實(shí)際過(guò)渡和終點(diǎn)相關(guān)線之間的最大偏差。

寄生電容表示PCB的電容（取決于焊接和PCB布局質(zhì)量）加上焊盤電容（大約5 pF）。寄生電容值高會(huì)降低轉(zhuǎn)換精度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)該減少fADC。

回到坑里

將盆友的電路等效繪制一下，忽略ADC采樣通道內(nèi)部ESD保護(hù)二極管，以及等效電流源，如下圖：

好了，這圖一畫出來(lái)，問(wèn)題的原因就顯而易見(jiàn)了，SAR ADC是將采樣電容上的電壓通過(guò)逐次逼近原理轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的，按上述圖，由于R2為兆級(jí)電阻，那么等效加載在采樣電容上的電壓就不能簡(jiǎn)單的看成是R1/R2的分壓了，此時(shí)ADC的輸入阻抗在百50K歐級(jí)別，簡(jiǎn)化定性看一下，忽略分布電容影響，計(jì)算方便將輸入阻抗看成50K直流電阻（實(shí)際深入動(dòng)態(tài)分析的話則不可忽略,假定電池電壓為5V），具體計(jì)算就不做了。

為什么電阻選這么大呢？我想估計(jì)是為了將電池電壓監(jiān)控取樣回路的電流降低，以節(jié)省電量。

跳出坑里

怎么辦呢？我覺(jué)得這樣應(yīng)該可以：

找一個(gè)低功耗的運(yùn)放做一個(gè)阻抗變換就可以兼顧兩者需求，當(dāng)然如果更完善一點(diǎn)，還可以考慮串入一個(gè)RC低通濾波環(huán)節(jié)，可以有效降低噪聲。

總結(jié)一下

對(duì)于單片機(jī)ADC的使用，個(gè)人總結(jié)了這幾點(diǎn)：

• 將輸入短路，可測(cè)量熱噪聲。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將輸入端短路，采集一定數(shù)量的樣本，由于熱噪聲符合高斯分布，可計(jì)算出其期望、方差，接入真實(shí)信號(hào)可以利用統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行相應(yīng)的噪聲濾波處理。

• 量化噪聲，可以通過(guò)輸入一定幅度及頻率的正弦波，進(jìn)行度量系統(tǒng)的量化噪聲。

• 設(shè)計(jì)ADC采樣電路時(shí)，需要注意閱讀芯片手冊(cè)的電氣特性參數(shù)，這個(gè)對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的模數(shù)采集系統(tǒng)至關(guān)重要。

至此，我想要寫的關(guān)于ADC的筆記文章就暫時(shí)總結(jié)分享到此了，如果覺(jué)得本文有價(jià)值，在看轉(zhuǎn)發(fā)起來(lái)，也算對(duì)我的肯定支持。

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