MCU ADC外部參考電壓變化了怎么辦？

單片機外圍模塊漫談之二，如何提高ADC轉換精度這篇文章，介紹過如何提高ADC的轉換精度。關于ADC的參考電壓，我發(fā)現有不少工程師了解的并不是很清楚。尤其是對于比如電池直接給MCU供電，用到ADC的場景。本篇文章對此做個簡單總結。

以經典的STM32F103為例，ADC的參考電壓是通過外部引腳VREF+/VREF-輸入的。對于部分64pin及以下型號，VREF+在芯片內部與VDDA信號線相連，沒有引出到片外，此時ADC參考電壓就是VDDA。

當ADC參考電壓穩(wěn)定不變時，正常采集和計算就可以。但是當參考電壓發(fā)生變化時，由于無法直接獲取變化后的參考電壓值，如果還使用之前的參考電壓就會引起測量誤差。

這種情況下該怎么辦？可以利用芯片內部參考電壓VREFINT，它是一個相對固定的電壓，典型值為1.20V。

它內部連接著ADC通道17，如果對ADC測量精度要求不是很高，可認為VREFINT就是固定的1.2V。這時可通過讀取該通道的值REFINT_DATA，反推出當前ADC的參考電壓值。因為1.2V=VREF_ADC*REFINT_DATA/FULL_SCALE

所以VREF_ADC=1.2V* FULL_SCALE/ REFINT_DATA，其中FULL_SCALE為4095（ADC分辨率12bit）

利用反推出的這個參考電壓值，再去計算實際ADC測量值。

Vchx = VREF_ADC*ADCHX_DATA/ FULL_SCALE =1.2V * (ADCHX_DATA/REFINT_DATA)。

但實際上每個芯片個體之間VREFINT會有差異，若需更高精度，可采用校準的方法：

在VDDA穩(wěn)定為3.3V時，通過ADC采集VREFINT通道的值，記為REFINT_CAL。這樣就可以得到每一顆芯片的準確VREFINT電壓。實際使用中需要將REFINT_CAL保存在MCU Flash里，以供后續(xù)使用。之后再按照上述方法（即先讀取ADC通道17反推出當前ADC實際參考電壓，再讀取實際需要采集的通道值）去計算ADC測量值。

Vchx =(3.3V *REFINT_CAL/ FULL_SCALE) *(ADCHX_DATA/REFINT_DATA)。

該方法對于用戶來說增加了一定的工作量，因為STM32F103是很多年前的老產品，沒有做出廠校準，后面出的產品如STM32F030，出廠時其實已經做了上述校準的工作，用戶直接使用即可。

說到這里大家可能會好奇這個內部的參考電壓到底是什么，它其實叫Bandgap電壓。MCU的 Bandgap 電壓（帶隙基準電壓）是一種高度穩(wěn)定的電壓基準源，通常由集成電路內部的 帶隙基準電路（Bandgap Reference Circuit）生成。Bandgap電路利用雙極性晶體管的正負溫度系數相互抵消，生成一個幾乎不隨溫度變化的電壓（典型值約為 1.2V，具體值因工藝和設計而異）。

說了這么多，內部的這個Bandgap電壓其實并不是ADC的直接參考電壓源。只不過利用了它去反推出實際的參考電壓值。使用這個方法也是有一定的局限性，因為它需要ADC先采集Bandgap通道電壓，后采集實際通道電壓，如果恰好在這個采集過程中參考電壓出現了劇烈的變化，那么轉換出來的值也是不準確的，因為反推出的參考電壓已經變了，當然這種情況出現的幾率相對較小，對于大部分場景這么用是沒問題的。

還有一些MCU，內部是帶有電壓基準源的，比如STM32L5，叫做VREFBUF。

它可以支持2種電壓2.048V和2.5V，這個電壓是可以直接作為ADC參考電壓的。

其基準源仍來自Bandgap電壓，通過分壓電路生成不同檔位輸出。從下圖框圖可以看到因運放的虛短特性，運放的負向輸入端與正向輸入端（Bandgap基準電壓）電壓相等，通過右側分壓電阻調節(jié)分壓比例使 VREFBUF 輸出電壓達到設定檔位。使用這個功能時注意要占用Vref+引腳，并且要接對地的電容，否則是產生不了這個參考電壓的。

VREFBUF的偏差是比較小的，手冊中有描述：

使用VREFBUF就方便很多了，只需要采集需要的通道即可，需要注意采集的電壓值不能超過VREFBUF電壓值，比如采集的電壓值是3V，那么就需要做分壓后采集。

當然如果系統(tǒng)里ADC的外部參考電壓本身就很穩(wěn)定，以上介紹的這些就都用不到了。

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