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MCU ADC如何测量超过VCC的电压?

2023/5/5 9:55:02      点击:
    假设MCU的供电是3.3V,ADC能够测量的电压范围是0-3.3V,如果要测量如电池电压6V的这种场景,该怎么办呢?


    很容易能够想到的方法是先进行电阻分压,将高于3.3V的电压分到ADC的量程内进行采集,最后再换算回实际电压。这就引入了一个问题,分压电压该选多大?比如进行1/2分压,是选2个1KΩ串联还是选两个1MΩ串联呢?电阻值能否随意选择呢?


    


    先说结论:电阻不能随意选,首先它不能太大!

    以STM32F103为例子,在数据手册中可以看到外部输入阻抗有一个最大值50kΩ的要求。


   


    这个值是由下面的计算公式算出来的:


   


    需要注意的是,输入阻抗的最大值并不是固定不变的,不是说只要小于50kΩ就可以,因为它和ADC时钟频率、采样周期、转换位数都有关系。比如上面表格中,当ADC时钟频率14Mhz,采样周期1.5 cycels,转换位数12时,最大输入阻抗就是0.4kΩ。


    Tab 46标称的最大输入阻抗50kΩ,是在ADC时钟频率14Mhz,采样周期55.5 cycles,转换位数12时计算出来的值,它同时也是ADC模块所能接受的最大值 (受硬件决定,这也是为什么Tab 47最后两行写NA的原因,虽然根据公式也能算出来一个比50更大的值)。


    简单来说,可以这么理解:因为ADC内部的采样保持电路(电容组成),如果外面的电阻大,就会导致RC电路充电时间长,如果采样周期小,就会引起电容在没完全充满电的情况下就被采集,自然ADC得到的数就不准


    从提高ADC采样速率的角度来说,电阻越小,RC充放电速度快,ADC的采样速率就能更高。不过电阻小,会增大功耗,在对功耗有要求的场合,这个电阻还不能选的太小。


    对于必须低输入阻抗,同时又需要低功耗的场合,可以先用大电阻分压,后面再用运放跟随器的方式。


   电阻大小的问题说完了,还有最后一个问题,等效输入阻抗和第一幅图里的两个串联分压电阻是什么关系?等效输入阻抗是R1、还是串联值R1+R2,还是并联值R1*R2/R1+R2 呢?


    这个问题可以这么简单想,假设R2是0Ω,进入到ADC的电压就是GND,和R1是多大就没关系了,等效输入阻抗就是0Ω。再假设R2无穷大,等于是断开,电阻只有R1了。这么一想答案就清晰了吧,等效输入阻抗是两个分压电阻的并联