MCU ADC如何測量超過VCC的電壓？
2023/5/5 9:55:02??????點(diǎn)擊：
假設(shè)MCU的供電是3.3V，ADC能夠測量的電壓范圍是0-3.3V，如果要測量如電池電壓6V的這種場景，該怎么辦呢？
很容易能夠想到的方法是先進(jìn)行電阻分壓，將高于3.3V的電壓分到ADC的量程內(nèi)進(jìn)行采集，最后再換算回實(shí)際電壓。這就引入了一個(gè)問題，分壓電壓該選多大？比如進(jìn)行1/2分壓，是選2個(gè)1KΩ串聯(lián)還是選兩個(gè)1MΩ串聯(lián)呢?電阻值能否隨意選擇呢？
先說結(jié)論：電阻不能隨意選，首先它不能太大！
以STM32F103為例子，在數(shù)據(jù)手冊中可以看到外部輸入阻抗有一個(gè)最大值50kΩ的要求。
這個(gè)值是由下面的計(jì)算公式算出來的：
需要注意的是，輸入阻抗的最大值并不是固定不變的，不是說只要小于50kΩ就可以，因?yàn)樗虯DC時(shí)鐘頻率、采樣周期、轉(zhuǎn)換位數(shù)都有關(guān)系。比如上面表格中，當(dāng)ADC時(shí)鐘頻率14Mhz，采樣周期1.5 cycels，轉(zhuǎn)換位數(shù)12時(shí)，最大輸入阻抗就是0.4kΩ。
Tab 46標(biāo)稱的最大輸入阻抗50kΩ，是在ADC時(shí)鐘頻率14Mhz，采樣周期55.5 cycles，轉(zhuǎn)換位數(shù)12時(shí)計(jì)算出來的值,它同時(shí)也是ADC模塊所能接受的最大值 (受硬件決定，這也是為什么Tab 47最后兩行寫NA的原因，雖然根據(jù)公式也能算出來一個(gè)比50更大的值)。
簡單來說，可以這么理解：因?yàn)锳DC內(nèi)部的采樣保持電路(電容組成)，如果外面的電阻大，就會導(dǎo)致RC電路充電時(shí)間長，如果采樣周期小，就會引起電容在沒完全充滿電的情況下就被采集，自然ADC得到的數(shù)就不準(zhǔn)。
從提高ADC采樣速率的角度來說，電阻越小，RC充放電速度快，ADC的采樣速率就能更高。不過電阻小，會增大功耗，在對功耗有要求的場合，這個(gè)電阻還不能選的太小。
對于必須低輸入阻抗，同時(shí)又需要低功耗的場合，可以先用大電阻分壓，后面再用運(yùn)放跟隨器的方式。
電阻大小的問題說完了，還有最后一個(gè)問題，等效輸入阻抗和第一幅圖里的兩個(gè)串聯(lián)分壓電阻是什么關(guān)系？等效輸入阻抗是R1、還是串聯(lián)值R1+R2，還是并聯(lián)值R1*R2/R1+R2 呢？
這個(gè)問題可以這么簡單想，假設(shè)R2是0Ω，進(jìn)入到ADC的電壓就是GND，和R1是多大就沒關(guān)系了，等效輸入阻抗就是0Ω。再假設(shè)R2無窮大，等于是斷開，電阻只有R1了。這么一想答案就清晰了吧，等效輸入阻抗是兩個(gè)分壓電阻的并聯(lián)。
很容易能夠想到的方法是先進(jìn)行電阻分壓，將高于3.3V的電壓分到ADC的量程內(nèi)進(jìn)行采集，最后再換算回實(shí)際電壓。這就引入了一個(gè)問題，分壓電壓該選多大？比如進(jìn)行1/2分壓，是選2個(gè)1KΩ串聯(lián)還是選兩個(gè)1MΩ串聯(lián)呢?電阻值能否隨意選擇呢？
先說結(jié)論：電阻不能隨意選，首先它不能太大！
以STM32F103為例子，在數(shù)據(jù)手冊中可以看到外部輸入阻抗有一個(gè)最大值50kΩ的要求。
這個(gè)值是由下面的計(jì)算公式算出來的：
需要注意的是，輸入阻抗的最大值并不是固定不變的，不是說只要小于50kΩ就可以，因?yàn)樗虯DC時(shí)鐘頻率、采樣周期、轉(zhuǎn)換位數(shù)都有關(guān)系。比如上面表格中，當(dāng)ADC時(shí)鐘頻率14Mhz，采樣周期1.5 cycels，轉(zhuǎn)換位數(shù)12時(shí)，最大輸入阻抗就是0.4kΩ。
Tab 46標(biāo)稱的最大輸入阻抗50kΩ，是在ADC時(shí)鐘頻率14Mhz，采樣周期55.5 cycles，轉(zhuǎn)換位數(shù)12時(shí)計(jì)算出來的值,它同時(shí)也是ADC模塊所能接受的最大值 (受硬件決定，這也是為什么Tab 47最后兩行寫NA的原因，雖然根據(jù)公式也能算出來一個(gè)比50更大的值)。
簡單來說，可以這么理解：因?yàn)锳DC內(nèi)部的采樣保持電路(電容組成)，如果外面的電阻大，就會導(dǎo)致RC電路充電時(shí)間長，如果采樣周期小，就會引起電容在沒完全充滿電的情況下就被采集，自然ADC得到的數(shù)就不準(zhǔn)。
從提高ADC采樣速率的角度來說，電阻越小，RC充放電速度快，ADC的采樣速率就能更高。不過電阻小，會增大功耗，在對功耗有要求的場合，這個(gè)電阻還不能選的太小。
對于必須低輸入阻抗，同時(shí)又需要低功耗的場合，可以先用大電阻分壓，后面再用運(yùn)放跟隨器的方式。
電阻大小的問題說完了，還有最后一個(gè)問題，等效輸入阻抗和第一幅圖里的兩個(gè)串聯(lián)分壓電阻是什么關(guān)系？等效輸入阻抗是R1、還是串聯(lián)值R1+R2，還是并聯(lián)值R1*R2/R1+R2 呢？
這個(gè)問題可以這么簡單想，假設(shè)R2是0Ω，進(jìn)入到ADC的電壓就是GND，和R1是多大就沒關(guān)系了，等效輸入阻抗就是0Ω。再假設(shè)R2無窮大，等于是斷開，電阻只有R1了。這么一想答案就清晰了吧，等效輸入阻抗是兩個(gè)分壓電阻的并聯(lián)。
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