一、踩坑過程

最近用STM32F334做數(shù)字電源，用到了高速ADC采集電壓電流。設(shè)計的參考電壓VREF為3.3V，輸入信號經(jīng)運放跟隨后直接接入單片機的采樣通道。一開始測試一切正常，但隨著輸入信號增加到2.5V左右，采集到的電壓值突然嚴(yán)重偏大（比如實際2.5V，ADC采集到的電壓為2.6V）。
首先排除軟件問題，因為電壓較低時采集到的數(shù)據(jù)一切正常。然后檢查硬件問題，確認(rèn)輸入信號正常，確認(rèn)參考電壓正常，甚至排除了通道間相互干擾的可能性，最終問題依舊。也懷疑過單片機自身的缺陷，但根據(jù)多年的踩坑經(jīng)驗，大概率還是自己的硬件設(shè)計或者軟件有不完善的地方。

對比以往的經(jīng)驗，所用到的ADC的采樣率都很低（基本上小于1kHz），而這次采樣率很高（達到300kHz）。因此初步懷疑，這次和以往的不同應(yīng)該有什么沒注意到的問題。由于需要快速采樣，本次的ADC時鐘到達72MHz，采樣時間設(shè)為了最小1.5個周期，單次采樣時間0.149us左右。配置代碼如下

ADC_StructInit(&ADC_InitStructure); ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ADC_ContinuousConvMode_Disable; //單次觸發(fā)模式 ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b; ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEvent = ADC_ExternalTrigConvEvent_7; //HRTIM_ADCTRG1 event ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigEventEdge = ADC_ExternalTrigEventEdge_RisingEdge; ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right; ADC_InitStructure.ADC_OverrunMode = ADC_OverrunMode_Disable; ADC_InitStructure.ADC_AutoInjMode = ADC_AutoInjec_Disable; ADC_InitStructure.ADC_NbrOfRegChannel = 4; ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure); /* ADC1 regular channel configuration */ ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_1, 1, ADC_SampleTime_1Cycles5); //VISENS ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_2, 2, ADC_SampleTime_1Cycles5); //IOSENS ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_3, 3, ADC_SampleTime_1Cycles5); //VOSENS1 ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_4, 4, ADC_SampleTime_1Cycles5); //VOSENS2

懷疑采樣時間太快，導(dǎo)致采集出錯，因此將采樣時間設(shè)大。設(shè)大后有明顯效果，采集到的值誤差變小，基本判定此處有玄機。于是仔細(xì)看了下手冊關(guān)于采樣時間的的描述

描述中明確提到，需要有足夠的采樣時間，確保輸入信號對內(nèi)嵌的保持電容充電并達到穩(wěn)定狀態(tài)。之后把采樣時間設(shè)置到最大，采樣的結(jié)果好了很多，但卻沒有完全解決問題。明顯這已經(jīng)不能真正解決問題了，因為采樣時間已經(jīng)超出我能接受的范圍。同時還有一個疑惑，如果充電時間太短導(dǎo)致電壓未達到實際值，采樣結(jié)果應(yīng)該偏小才對，為啥會偏大呢？看來是有必要把ADC的相關(guān)問題系統(tǒng)徹底的研究一下了。首先應(yīng)該深入了解下單片機內(nèi)ADC的基本原理，在網(wǎng)上找到了一篇文章https://blog.csdn.net/Zhuo3364/article/details/142112282，看完后才真正解開了我的疑惑。問題就出在輸入信號的處理上。由于我直接運放跟隨后接入ADC，在低速采樣時有足夠時間來穩(wěn)定電壓，所以不會有問題。但在高速時，采樣開關(guān)開啟的瞬間，放大器會產(chǎn)生尖峰。又由于采集時間很短，尖峰還未消除，采集開關(guān)已經(jīng)關(guān)閉，因此實際采樣到的值會偏大。至此問題算是真的找到了，下面將ADC采樣電路的設(shè)計要點總結(jié)一下。

二、ADC設(shè)計要點總結(jié)

1、基準(zhǔn)源的設(shè)計

首先基準(zhǔn)電壓肯定要穩(wěn)，而且應(yīng)該要有一定的驅(qū)動能力。有一篇關(guān)于基準(zhǔn)的文章https://www.bilibili.com/read/cv35121342/值得仔細(xì)研讀。

2、輸入信號的設(shè)計

輸入信號為什么要處理

關(guān)于輸入信號，很多新手都會犯一個錯誤，就是直接把電阻分壓的信號接入ADC采樣，如下圖示意。為什么說這是個錯誤呢，經(jīng)歷過的人就知道這樣采樣得到的值也會有偏差，嚴(yán)重時跟設(shè)計完全不符。

這個問題在于，ADC本身有一定的輸入阻抗，但阻抗并不高，有些甚至只有幾kΩ。這樣直接接入信號，ADC的輸入阻抗就會起到分壓的作用。如下圖，ADC的輸入阻抗Rz和R2并聯(lián)后再和R1分壓，因此實際分壓比就和設(shè)計的完全不同了，采樣到的值自然會和設(shè)計值差別很大。所以輸入信號應(yīng)該要做適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

常規(guī)的處理，就是輸入信號加個跟隨器，因為放大器的輸入阻抗可以認(rèn)為是無窮大的，所以不存在上述分壓的問題。這基本上可以滿足絕大部分低速采樣的需求，但對于高速采樣，只跟隨不濾波也會有問題，這也是本次踩坑的點所在。

找了一個專用的ADC手測仔細(xì)研究了下，里面重點就強調(diào)了輸入信號抗混疊的處理。其實就是對輸入信號進行低通濾波。

下面這張圖片也很好的顯示了輸入信號加RC濾波和不加的區(qū)別，這也是為什么我這次踩坑的原因。從不加RC的曲線可以看到，采樣瞬間放大器輸出信號產(chǎn)生了一個尖峰，如果采樣周期很短，尖峰還未消除，就完成了采樣，那么采樣到的值肯定偏大。而加了RC的曲線則是平穩(wěn)上升到實際的值。

三、反思 很多時候我們以為自己懂了，其實沒懂，只是湊巧沒出問題而已。知其然后還是應(yīng)該要知其所以然，面對問題方能處變不驚，游刃有余。