STM32 之十 供电系统及内部参照电压（VREFINT）使用及改善ADC参考电压

问题

  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：

• VDD = 2.0 to 3.6 V: external power supply for I/Os and the internal regulator. Provided externally through VDD pins.
• VSSA, VDDA = 2.0 to 3.6 V: external analog power supplies for ADC, reset blocks, RCs and PLL (minimum voltage to be applied to VDDA is 2.4 V when the ADC is used). VDDA and VSSA must be connected to VDD and VSS, respectively.
• VBAT = 1.8 to 3.6 V: power supply for RTC, external clock 32 kHz oscillator and backup registers (through power switch) when VDD is not present.
• VREF+： 正模拟参考电压输入（部分芯片没有个引脚）

下面以 STM32F1 和 STM32F2 的 MCU 比较来具体看看
供电架构如下图所示：

不同的供电所管理的供电域

供电电压

1. VCC： C=circuit 表示电路的意思, 即接入电路的电压
2. VDD： D=device 表示器件的意思, 即器件内部的工作电压;
3. VSS： S=series 表示公共连接的意思，通常指电路公共接地端电压
4. stm32 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！

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
  • 每个VDD引脚再接一个100nF的陶瓷电容
• VBAT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
• VDDA引脚外接两个去藕电容
  • 一个100nF的陶瓷电容
  • 一个1uF的钽电容或陶瓷电容
• VREF+引脚连到VDDA
  • 若有单独的参考稳压源连接
    一个100nF和1uF的电容
• VCAP1 和 VCAP2 通常只各连接一个2.2uF的电容
  • 特殊封装上，可外接1.2V电源来旁路内部主电压调节器
    

ADC的参考电压

  在部分MCU的封装中，会有单独的一个Vref引脚

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，所以，我们只能把基准电压芯片连接到VDDA引脚。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。

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，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？
  在每个MCU的内部，都有一个叫内部参照电压的东西。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：

内部参考电压在芯片出厂时已经校准过精度了！且不同的MCU是有可能不同的！其厂内校准过程是在外部供3.3V电源，将采样内部参考的ADC值写入到固定的内存中去（如上地址，不同MCU具体位置可能不同）！而我们就可以利用这个来校准自己的ADC。
  STM32的ADC内部都有一个参考电压引脚，可以通过配置，把这个脚连接到ADC输入引脚，是内部连接。然后再计算实际的VDDA值。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：

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！
  关于使用内部参照电压的具体方法，只有在STM32F0x芯片的参考手册中才能找到，其他MCU的参考手册都是很简单的几句说明。

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！

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

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

• 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）
  
• Tconversion取决于转换精度：RES@ADC_CR1，降低转换精度可提高转换速度
  

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
• ADCCLK：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
    • VDDA=2.4~3.6V fADCmax = 30MHz

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
  
• Vbat
  
• VREFINT
  

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

参考

1. STM32F4、STM32F0、STM32F1、STM32F2的 数据手册，参考手册
2. ST的培训资料