问题
今天在使用 STM32F407的ADC时遇到一个问题:ADC的参考电压都是通过Vref+提供的并作为ADC转换器的基准电压。当我们使用的Vref+是直接取自用VDD电压时,当VDD电压波动比较大时或稳压性能比较差时,转换结果自然就不准确了!
供电方案
MCU的参考手册都会有一章节单独介绍MCU的电源管理,针对不同的MCU(封装不同等)其外部电源如何连接也是有要求的,我们在MCU上一般都会发现如下引脚:
- VDD = 2.0 to 3.6 V: external power supply for I/Os and the internal regulator. Provided externally through VDD pins.
- VSSA, VDDA = 2.0 to 3.6 V: external analog power supplies for ADC, reset blocks, RCs and PLL (minimum voltage to be applied to VDDA is 2.4 V when the ADC is used). VDDA and VSSA must be connected to VDD and VSS, respectively.
- VBAT = 1.8 to 3.6 V: power supply for RTC, external clock 32 kHz oscillator and backup registers (through power switch) when VDD is not present.
- VREF+: 正模拟参考电压输入(部分芯片没有个引脚)
下面以STM32F1和STM32F2的MCU比较来具体看看
供电架构如下图所示:
不同的供电所管理的供电域
供电电压
- VCC: C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压
- VDD: D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压;
- VSS: S=series 表示公共连接的意思,通常指电路公共接地端电压
- stm32的VDDA和VSSA不能悬空,复位模块和RC振荡器需要VDDA和VSSA。否则无法下载程序!
电源引脚连接
- VDD引脚外接去藕电容连到外部稳压源
- 一个最小值4.7uF、典型值10uF的钽电容或陶瓷电容
- 每个VDD引脚再接一个100nF的陶瓷电容
- VBAT引脚外接电池。若没有电池,推荐通过100nF的陶瓷电容连到VDD引脚
- VDDA引脚外接两个去藕电容
- 一个100nF的陶瓷电容
- 一个1uF的钽电容或陶瓷电容
- VREF+引脚连到VDDA
- 若有单独的参考稳压源连接
一个100nF和1uF的电容
- 若有单独的参考稳压源连接
- VCAP1和VCAP2通常只各连接一个2.2uF的电容
- 特殊封装上,可外接1.2V电源来旁路内部主电压调节器
- 特殊封装上,可外接1.2V电源来旁路内部主电压调节器
ADC的参考电压
在部分MCU的封装中,会有单独的一个Vref引脚
我们可以把外部基准电压芯片(例如REF3133,输出的电压是标准的3.300V)连接到Vref引脚。一般100脚的STM32 MCU(如上图STM32F4)都有VREF引脚。
对于100脚以下的芯片,STM32没有把VREF引脚引出来,所以,我们只能把基准电压芯片连接到VDDA引脚。注意,STM32单片机上面有好多电源引脚,其中有若干VDD引脚,只有一个VDDA引脚,VDDA引脚就是模拟供电引脚。不过,需要注意,VDDA的电压不是随便定义的。例如,STM32F051系列单片机就规定,VDDA必须要大于或者等于VDD才可以正常工作,所以这时候,最好是给单片机3.0V供电,再给VDDA采用一个3.3V的基准电压芯片供电。
内部参照电压
以上两种方法都需要外加基准电压芯片,在实际应用中,往往是VDDA引脚和VDD引脚连在一起,都是由电源芯片供电。这个时候如果要提高ADC转换准确性该怎么办呢?
在每个MCU的内部,都有一个叫内部参照电压的东西。关于该部分的介绍,位于对应 MCU 的数据手册中(不同MCU的数据手册介绍有多又少,同样是STM32F0的数据手册介绍更为详细),如下图:
内部参考电压在芯片出厂时已经校准过精度了!且不同的MCU是有可能不同的!其厂内校准过程是在外部供3.3V电源,将采样内部参考的ADC值写入到固定的内存中去(如上地址,不同MCU具体位置可能不同)!而我们就可以利用这个来校准自己的ADC。
STM32的ADC内部都有一个参考电压引脚,可以通过配置,把这个脚连接到ADC输入引脚,是内部连接。然后再计算实际的VDDA值。MCU不同具体链接的ADC引脚也是不同的。下面是STM32F4芯片的参考手册的说明:
这样我们就可以用ADC实际采样,得到VREFINT的采样值,然后使用上面的校准值进行计算即可!
关于使用内部参照电压的具体方法,只有在STM32F0x芯片的参考手册中才能找到,其他MCU的参考手册都是很简单的几句说明。
更进一步,在计算其他通道的时候,我们就可以使用以上计算的VDDA来作为基准了!
参考
- STM32F4、STM32F0、STM32F1、STM32F2的数据手册,参考手册
- ST的培训资料