資料介紹
本文來解析一個(gè)盆友在使用STM32采集電池電壓踩過的坑。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,主要來看看電氣特性。
電氣特性
1、ADC 可支持采樣頻率fADC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VAIN范圍須在參考電壓范圍內(nèi)
3、外部輸入阻阻抗RAIN最大為
4、開關(guān)切換阻抗RADC 最大為
5、內(nèi)部采樣保持電容CADC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)際過渡與第一個(gè)理想過渡之間的偏差。EG =增益誤差:最后一個(gè)理想過渡與最后一個(gè)實(shí)際過渡之間的偏差。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,問題的原因就顯而易見了,SAR ADC是將采樣電容上的電壓通過逐次逼近原理轉(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。
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