问题
- H3 m' g: Q- @6 k9 v  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（注意不同 MCU 是有区别的）：
VDD / VSS: VDD is the external power supply for the I/Os, the internal regulator and the system analog such as reset, power management and internal clocks. It is provided externally through VDD pins.
VDDA / VSSA: VDDA 是A/D转换器，D/A 转换器，参考电压缓冲器，运算放大器和比较器的外部模拟电源。 VDDA 电压电平与 VDD 电压无关。 不使用这些外设时，最好将 VDDA 连接到 VDD。
  M) m  E7 c" g: wVBAT： 当不存在 VDD 时，VBAT 是 RTC，外部时钟 32kHz 振荡器和备用寄存器（通过电源开关）的电源。 对于没有专用引脚的小型封装，VBAT内部连接到了 VDD
VREF+ / VREF-： VREF+ 是 ADC 和 DAC 的输入参考电压。 使能后，它也是内部参考电压缓冲器的输出。当不使用 ADC 和 DAC 时，VREF+ 可以接地。VRE- 必须始终等于 VSSA。
VREF- 和 VREF+ 引脚并非在所有封装中都可用。 如果封装上未提供它们，则它们在 MCU 内部分别与 VSSA 和 VDDA 相连。
5 k6 h6 s/ j9 @% a+ D0 G+ g
下面以 STM32F1 和 STM32F2 的 MCU 比较来具体看看。供电架构如下图所示：

: e1 w" H! t. S
, l$ v# o4 k' t! D" c
不同的供电所管理的供电域
  X$ j1 L  P' D9 ?
# A* \1 U  E! p9 {4 N. o& ]
6 E3 B  R: E2 ?8 m0 K& J0 h
供电电压范围



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
" e  K4 |9 H# \) h) F/ h4 PSTM32 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！

; v; A7 p: F) `& u7 G& [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
" h- _$ |5 A& x% J每个 VDD 引脚再接一个100nF 的陶瓷电容
$ S! B4 g5 l% oVBAT 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
# U% w) H* D- |/ |4 s6 dVDDA 引脚外接两个去藕电容
; B. s" i! g/ p& A, {2 n: V一个 100nF 的陶瓷电容
一个 1uF 的钽电容或陶瓷电容
, U) k9 Y, }4 q# o& C' X, _VREF+ 引脚连到 VDDA
' R& V0 z2 ]  f  I* F0 x  @若有单独的参考稳压源连接一个100nF 和 1uF 的电容
/ U6 [# h& Q( c2 \  T1 z( pVCAP1 和 VCAP2 通常只各连接一个 2.2uF 的电容
- M% J9 X# i" g, R特殊封装上，可外接 1.2V 电源来旁路内部主电压调节器
  T) w' _8 }; `/ n! j" k


; Q! I% |7 H6 B: E( b
ADC的参考电压
  ADC 可以主要有连个电源： 供电电源 和 参考电源 。参考电源就是在转换数值时候的基准。在部分 MCU 的封装中，会有单独的一个 Vref 引脚，这个引脚就是提供参考电源的



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，而是直接在内部连接到了 VDDA 引脚。这样就导致了 ADC 的供电电源和参考电源实际是一个。
0 Q! g# M$ B* H% c
  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。

: w2 r, ]" D, ?3 @( B* w
; n: r. R8 [6 D; Z, K8 H0 {
为啥会要求 VDDA 必须要大于或者等于 VDD？这是因为在 MCU内部 VDDA 和 ADC 的参考电压有联系。

( F/ Z: ?6 e8 `4 Z' o; |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，而没有 VREF 引脚的片子，内部 VREF 有是和 VDDA 接一起的，这就到了整片子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？

  针对上面这种情况，在每个 MCU 的内部，都有一个叫内部参照电压的东西。更关于该部分的介绍，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：
: f8 f( I# z& k1 u. e, |7 g
) M% b8 s* A2 ]* r

  O( b' e/ a1 O. k/ p* _但是这个值有可能也是不准确的，那怎么办呢？ST 提供了一个方案：STM32 可以通过配置将 VREFINT 接入到 ADC 内部的通道，然后我们就可以测量 VREFINT 到底是多少。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：
2 `0 y+ V6 ?+ z3 _3 L4 r1 {
' W2 A$ E4 l" U0 _5 v2 p( j
) \6 w( T! o0 b4 k* F7 J" Z5 C! v
" T1 k- {+ K5 M1 W2 V' u在 MCU 出厂测试的时候，ST 为我们提供了一个校准值，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 MCU 固定的内存中去的

5 F0 Y5 @) v8 z# A+ D" r9 E
2 |5 l$ C: f" G* Z" ]
$ w; a  v( B7 A3 @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！

: ]% j/ I9 B- y7 @  K' W1 G8 P  关于使用内部参照电压的具体方法，只有部分芯片的参考手册中才能找到（ 如下图是 STM32F0x ），其他 MCU 的参考手册都是很简单的几句说明。

3 V! {$ q( ?/ A2 m2 x

5 b$ O6 P3 Z' g6 t6 O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！
1 {* U' F( t6 w; N+ O6 L


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

* j2 v/ ~: T# O& v  V# m/ z. r
$ ?9 q2 s& ?' n. c
那么，VDDA = 3.0V x VREFINT_CAL / VREFINT_DATA 这个公式是咋么来的的呢？下面我们以上 STM32L476 这个图为例来推导一下。
1 B7 H2 w2 f7 ]: x' v1.ST 通过配置将 VREFINT 连接到 ADC 后，则有：VREFINT = 3.0V * (VREFINT_CAL / 4095); VREFINT_CAL 就是校准条件下的 ADC 采样值
% O2 f; E4 Y8 S3 M5 m) k5 m0 u2.我们自己通过配置将 VREFINT 连接到 ADC：VREFINT = VDDA * (VREFINT_DATA / 4095);
3.因此，VDDA * (VREFINT_DATA / 4095) = 3.0 * (VREFINT_CAL / 4095);
4.VDDA = 3.0V x VREFINT_CAL / VREFINT_DATA
* j6 A  I3 t* b. ^" y7 }9 ^
  k$ Y5 r. H7 T6 `# T* y# }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
: T% Z( S1 m! y: `9 O: D
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）


% D* p- B, N6 m- |" U5 }
Tconversion取决于转换精度：RES@ADC_CR1，降低转换精度可提高转换速度

6 p% c3 B1 G0 s3 S+ k
9 K# h5 C; k1 Z' |8 C
9 v: V6 C0 ?4 ?. \* w0 }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
8 k" O- r7 B" U  ~5 _% KADCCLK：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
/ r- h) o- k7 J0 O4 K2 r: pVDDA=2.4~3.6V fADCmax = 30MHz


# o; @; R/ @$ r3 ?9 a2 x  G1 h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


$ h+ b+ e; ^% [: X/ q  u% E- J
. L9 C! p- s5 Y9 ]Vbat
4 `+ z, D& a* e- u


VREFINT

0 W, e3 W  Z3 A) \
. x# L" Z4 d# V. r5 d: `5 t
, ?5 X- B9 Y0 J+ ^  @1 h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
& v6 I+ V3 Q+ [* r0 a, @1 P3 W

& \0 L4 c: c+ g4 O7 O
————————————————
版权声明：IT 之道
% [  G  \/ A: g

6 o3 f2 _9 @4 M: g6 E