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牛逼,不用外部电路检测芯片工作电压!

发布人:鱼鹰谈单片机时间:2021-10-07来源:工程师

本篇笔记主要包含以下内容(电池供电产品尤其实用):

1、如何进行 ADC 校准,ADC 校准基本原理 

2、如何直接通过内部参考电压得到芯片的工作电压 

3、常见应用场合

在一些应用场合,往往需要得到芯片的工作电压,确保芯片工作正常,比如低压时进行必要保护、 ADC 采集时校准等。

一般情况下,我们使用分压电阻方式获得芯片工作时的电压,比如 STM32 可工作在 2.0~3.6 V(你没看错,2.0 V 也能工作,鱼鹰有段时间不小心用了 5 V 电压,芯片竟然也能工作,没烧坏,也是奇迹,但不建议这么干)。但是需要增加额外电路。

另外,如果你能得到芯片的工作电压(或 ADC 的基准电压),在 ADC 校准方面也是有奇效。因为如果你的参考电压变化了,那么你通过 ADC 计算得到值必然也是有问题的。

测量电压值 = (ADC 值  *  参考电压值 3.3)/ ADC 最大值 4096

即上式的 参考电压 3.3v 变化了,那么你计算的测量电压就和实际的不符。因为在这个公式里面,你假设参考电压稳定不变为 3.3v ,但实际上如果因为某种原因,导致电压上升或下降了,那么计算的测量电压值就是有问题的。

所以,为了精确测量电压,就有了校准。

既然参考电压也在变化,那么我们就直接把参考电压也一起采集了,作为公式的参数输入,如此一来,就能保证测量电压的稳定性了。

但是参考电压又应该怎么测量呢?还是使用分压方式吗?我们本身就是为了让分压方式测量的电压更精确才使用校准的呀?这不是陷入了鸡生蛋、蛋生鸡的死循环?

如何跳出这一循环呢?关键在于是否存在一个电压,可不随外部电压变化而变化,起码不应该在芯片(2.0 ~ 3.6 V)正常工作时而变化,超出电压范围外就和我没关系了。

就此我们可以想到一种常用器件,LDO (低压差线性稳压器),比如 5 V 转 3.3 V,只要输入电压在芯片规定范围内,它总是能稳定输出 3.3 V。

在 STM32 中,内部都内置了一个比较稳定的内部参考电压,即 VREFINT,一般电压 1.2 V,但由于芯片差异,这也是不确定的,所以为了更加确定这个电压值,芯片出厂时会进行校准(又来一次校准),即把实际采集到的电压 ADC 值保存到一个地址里面。

怎么理解这次校准呢?这个参考电压内部连接到  ADC 外设中的一个通道,而 ADC 外设使用高精度稳压源稳定供电 3.0 V,而此时该参考电压也会输出一个电压,大概在 1.2V, 然后通过 ADC 采集这个电压的 ADC 值,并把这一次电压值保存在一个地址里面。

这里举一个具体例子(参考文章里面的):

1.png

在这个芯片里面的参考电压输出就是 1.216 V,可以说相当精确了,但是另一个同款芯片就不一定就是这个电压了(但也基本在 1.2 V 左右,不会差太多),这就是所谓的差异,也是为什么要校准的原因。

那么得到这样一个稳定的参考电压有什么用,它的特点又是什么呢?

这个参考电压你可以理解为,只要芯片工作在 2.0 ~ 3.6 V,它总是能输出 1.216 V(当然是说上面那颗芯片,其它芯片就不一定是这个电压了)。

这样一来,我们让 VDDA(ADC 外设的基准电压)= VDD(芯片工作电压)。当工作电压下降时,VDDA 电压也在下降,也就是说 4095 在下降前代表 3.3 V,那下降后代表的电压值肯定更小了(还是代表 VDDA 的值,即总是代表的基准电压)。

2.png

(图片来源:茶话 MCU) 

但是不管 VDDA(VDD) 怎么变化,Vrefint 的电压值总是稳定在 1.216 V(但是这个 ADC 值是处于变化中的)。而这也是我们反推外部电压的基础。

于是我们可以得到下面公式(前提芯片能正常工作,即 2.0 ~ 3.6 V):

VDDA : 4095 = VREFINT : Adc_vrefint

因为 VDDA 等于 VDD,所以也可以认为是芯片的工作电压。在这个公式中,Adc_vrefint 的 ADC 值我们可以通过 ADC 的特殊通道(VREFINT 通道)采集回来,而 VREFINT 我们在前面通过某个地址的 ADC 值已经计算出来了,就是 1.216 V,那么只有 VDDA 一个值不确定,计算它就是轻而易举的事情了。

于是,通过采集 VREFINT 通道的 ADC 值,即可得到我们需要的 VDDA 值,也就是我们的芯片工作电压!!!

这就是不用外部电路检测芯片电压的内幕(原理)!

本来应该一切顺利,这篇笔记也有一个完美的结局,但是很不幸的是,鱼鹰找遍了手册,网上也是到处找,始终没有找到 STM32F1xx 系列芯片校准值的保存地址,而据网上的说法是,这款芯片并没有校准值,这就很让人尴尬了(其它系列是否存在该校准值,可以看对应的数据手册,如果有道友知道 STM32F1xx的地址,可留言告知)。

但是如果你对电压精度要求不是很高的话,你可以直接认为参考电压就是 1.200 V,用它来大概计算芯片的工作电压也是问题不大的。而如果你要更高的精度,那么你也可以像前面说的那样,自己找出每一颗芯片的实际参考电压,人工校准。当然工作量就大了那么一些了(专门写一个校准程序,把校准值写入内部 FLASH 中)。

应用

那么这个功能一般用于什么场合呢?

实时检测芯片的工作电压,我们就知道芯片是否正常工作,从而排除芯片因为电源不稳导致的一些问题。同时,我们可以把这个电压值用于前面所说的 ADC 校准中,这样不管芯片工作电压怎么变化(前提是芯片工作电压和 ADC 基准电压是一同一个),你测量的电压值一定是准确的(即使电压源纹波比较大)。

这个功能对于电池供电的产品尤其实用,因为电池电压在使用过程中,肯定会发生变化,这也意味着可能你的 ADC 基准电压发生了变化(当然你也可以使用额外的稳压源,这样就会增加成本)。

当工作电压低到一定程度时,我们希望能做一些保护工作,或者保存一些参数,我们该如何做呢?三种方法:

1、通过上述方法,定时采集 参考电压 的 ADC 值,从而得到工作电压,当电压低于一定水平时,再采取一些措施。

2、使用 ADC 模拟看门狗功能,将这个通道的值加入到看门狗中,如此一来,只要电压下降到你想要的值,就可以触发看门狗,比方法一更及时,这也是参考文章介绍的一个应用,强烈建议各位道友看看这位大佬写的。

3、芯片内部有低电压保护功能,当电压低到一定水平时,可触发中断,但是只有几个固定电平可选,不像上述方法可设置任意电平。

而在已出货的产品中,可能当时我们并没有考虑那么多,并没有预留检测工作电压的电路,使用这个方法,就可以只更新软件即可获取工作电压,相当实用。

这个方法鱼鹰也曾用高精度稳压源测试过,发现计算出来的电压值精度相当高,而当鱼鹰改变电压大小时,计算出来的电压也在实时变化,可谓实用的一匹,再也不用怕硬件工程师说你采集的 ADC 值(软件)有问题了。

简单总结就是,采集 ADC 外设中的 VREFINT 通道值,通过上面公式简单计算,即可得到芯片当前的 ADC 参考电压,也可认为是芯片工作电压。代码和普通的 ADC 采集没多大区别,只是采集的通道由外部通道变为了内部通道,所以鱼鹰就不再提供具体参考例子了(可惜忘记截图了,否则更有说服力)。

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关键词: 单片机

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