一個單片機ADC的挖坑填坑之旅

Word一個單片機ADC的挖坑填坑之旅[導讀]本文來解析一個盆友在使用（STM32）采集電池電壓踩過的坑。以STM32F4的（ADC）屬于逐次逼近SAR型（AD）C為例進行分析，參考STM32F405xx

Datasheet，對于如何編寫ADC程序就不做描述了。

先描述一下坑

采集電池電壓，利用兩個電阻將電池電壓分壓，然后送入（單片機），當電阻如上分別取4M歐/1M歐時，ADC采集到的ADC值與（萬用表）測得的ADC輸入端相差很大，取30K歐以及10k歐時，則相差變小。

盆友咨詢我這是為什么？我給出了建議，先賣個關子，先來看看應用最為廣泛的STM32單片機的一些特性。

STM32ADC：

STM3212位ADC是逐次逼近型的（模數轉換器）。它有多達19個多路復用通道，允許它測量來自16個外部源、2個內部源和VBAT通道的（信號）。通道的A/D轉換可以在單次、連續(xù)、掃描或間斷模式下進行。ADC的結果存儲在左對齊或右對齊的16位數據（寄存器）中。（模擬）（看門狗）功能允許應用程序（檢測）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

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

可支持輸入電壓范圍須在參考電壓范圍內

外部輸入阻阻抗最大為

開關切換阻抗

最大為

內部采樣保持（電容）

為4pF

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

ADC精度vs.負注入（電流）:應該避免在任何模擬輸入引腳上注入負電流，因為這會顯著降低在另一個模擬輸入上執(zhí)行轉換的精度。建議在模擬引腳上增加一個肖特基（二極管）(引腳接地)，這可能會注入負電流。

Page136圖例（上圖中標識解釋）：

見表68

實際轉移曲線的示例。

理想轉移曲線

終點相關線

ET=未調整總誤差：實際和理想傳遞曲線之間的最大偏差。EO=偏移誤差：第一個實際過渡與第一個理想過渡之間的偏差。EG=增益誤差：最后一個理想過渡與最后一個實際過渡之間的偏差。ED=微分線性誤差：實際步長與理想步長之間的最大偏差。EL=積分線性誤差：任何實際過渡和終點相關線之間的最大偏差。

寄生電容表示（PCB）的電容（取決于焊接和PCB布局質量）加上焊盤電容（大約5pF）。寄生電容值高會降低轉換精度。為了解決這個問題，應該減少fA（DC）。

回到坑里

將盆友的電路等效繪制一下，忽略ADC采樣通道內部（ESD）保護二極管，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，SARADC是將采樣電容上的電壓通過逐次逼近原理轉換為數字量的，按上述圖，由于R2為兆級電阻，那么等效加載在采樣電容上的電壓就不能簡單的看成是R1/R2的分壓了，此時ADC的輸入阻抗在百50K歐級別，簡化定性看一下，忽略分布電容影響，計算方便將輸入阻抗看成50K直流電阻（實際深入動態(tài)分析的話則不可忽略,假定電池電壓為5V），具體計算就不做了。

為什么電阻選這么大呢？我想估計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？我覺得這樣應該可以：

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

總結一下

對于單片機ADC的使用，個人總結了這幾點：

將輸入短路，可測量熱噪聲。實際應用時，將輸入端短路，采集一定數量的樣本，由于熱噪聲符合高斯分布，可計算出其期望、方差，接入真實信號可以利用統(tǒng)計規(guī)律進行相應的噪聲濾波處理。

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

設計ADC采樣電路時，需要注意閱讀（芯片）手冊的電氣特性參數，這個對于設計一個穩(wěn)定的模數采集系統(tǒng)至關重要。