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。
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。
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