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STM32 之十 供电系统及内部参照电压(VREFINT)使用及改善ADC参考电压,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说明_stm32 软件如何使能vref引脚

stm32 软件如何使能vref引脚

STM32 之十 供电系统及内部参照电压(VREFINT)使用及改善ADC参考电压

ZCShouEXP 2018-12-21 10:50:33  16404  收藏 32
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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+ 引脚提供的并作为ADC转换器的基准电压(部分 MCU 没有 Vref+ 引脚)。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
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

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!

需要特殊注意的是,在不同系列的芯片中,以上是有区别的,例如以下是 STM32L476 系列的


ADC转换时间
在使用上面的方法时,必须要特殊注意ADC转换时间。否则采样值将出现较大偏差!先看看每个通道的总转换时间公式:每个通道总的转换时间 = TSampling + Tconversion

TSampling可配置:SMP@ADC_SMPRx,需要和外部电路的输入阻抗匹配(在对应的数据手册中会有详细说明)

Tconversion取决于转换精度:RES@ADC_CR1,降低转换精度可提高转换速度

ADC总转换时间为:Ttotal = (SMP + RES) * ADCCLK

SMP:采样时间,需要和外部输入阻抗搭配
RES:转换精度,降低精度可提高速度
ADCCLK:ADC模块工作时钟
ADCCLK = APB2时钟分频(2,4,6,8)
ADCCLK最大值还受限于工作电压
VDDA=1.8~2.4V fADCmax = 15MHz
VDDA=2.4~3.6V fADCmax = 30MHz
为什么要说ADC采样时间?因为上一节所讲的方法,对于采样时间是有限制的!!!

温度传感器

Vbat

VREFINT

 

关于采样时间需要和外部输入阻抗搭配,参看下图和对应的 数据手册


参考
STM32F4、STM32F0、STM32F1、STM32F2的 数据手册,参考手册
ST的培训资料
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