絕妙！不用外部電路檢測芯片工作電壓！

來源：公眾號【魚鷹談單片機】

作者：魚鷹Osprey

ID   ：emOsprey

本篇筆記主要包含以下內容（電池供電產品尤其實用）：

1、如何進行 ADC 校準，ADC 校準基本原理 

2、如何直接通過內部參考電壓得到芯片的工作電壓 

3、常見應用場合

在一些應用場合，往往需要得到芯片的工作電壓，確保芯片工作正常，比如低壓時進行必要保護、 ADC 采集時校準等。

一般情況下，我們使用分壓電阻方式獲得芯片工作時的電壓，比如 STM32 可工作在 2.0~3.6 V（你沒看錯，2.0 V 也能工作，魚鷹有段時間不小心用了 5 V 電壓，芯片竟然也能工作，沒燒壞，也是奇跡，但不建議這么干）。但是需要增加額外電路。

另外，如果你能得到芯片的工作電壓（或 ADC 的基準電壓），在 ADC 校準方面也是有奇效。因為如果你的參考電壓變化了，那么你通過 ADC 計算得到值必然也是有問題的。

測量電壓值 = （ADC 值  *  參考電壓值 3.3）/ ADC 最大值 4096 

即上式的 參考電壓 3.3v 變化了，那么你計算的測量電壓就和實際的不符。因為在這個公式里面，你假設參考電壓穩定不變為 3.3v ，但實際上如果因為某種原因，導致電壓上升或下降了，那么計算的測量電壓值就是有問題的。

所以，為了精確測量電壓，就有了校準。

既然參考電壓也在變化，那么我們就直接把參考電壓也一起采集了，作為公式的參數輸入，如此一來，就能保證測量電壓的穩定性了。

但是參考電壓又應該怎么測量呢？還是使用分壓方式嗎？我們本身就是為了讓分壓方式測量的電壓更精確才使用校準的呀？這不是陷入了雞生蛋、蛋生雞的死循環？

如何跳出這一循環呢？關鍵在于是否存在一個電壓，可不隨外部電壓變化而變化，起碼不應該在芯片（2.0 ~ 3.6 V）正常工作時而變化，超出電壓范圍外就和我沒關系了。

就此我們可以想到一種常用器件，LDO （低壓差線性穩壓器），比如 5 V 轉 3.3 V，只要輸入電壓在芯片規定范圍內，它總是能穩定輸出 3.3 V。

在 STM32 中，內部都內置了一個比較穩定的內部參考電壓，即 VREFINT，一般電壓 1.2 V，但由于芯片差異，這也是不確定的，所以為了更加確定這個電壓值，芯片出廠時會進行校準（又來一次校準），即把實際采集到的電壓 ADC 值保存到一個地址里面。

怎么理解這次校準呢？這個參考電壓內部連接到  ADC 外設中的一個通道，而 ADC 外設使用高精度穩壓源穩定供電 3.0 V，而此時該參考電壓也會輸出一個電壓，大概在 1.2V， 然后通過 ADC 采集這個電壓的 ADC 值，并把這一次電壓值保存在一個地址里面。

這里舉一個具體例子（參考文章里面的）：

在這個芯片里面的參考電壓輸出就是 1.216 V，可以說相當精確了，但是另一個同款芯片就不一定就是這個電壓了（但也基本在 1.2 V 左右，不會差太多），這就是所謂的差異，也是為什么要校準的原因。

那么得到這樣一個穩定的參考電壓有什么用，它的特點又是什么呢？

這個參考電壓你可以理解為，只要芯片工作在 2.0 ~ 3.6 V，它總是能輸出 1.216 V（當然是說上面那顆芯片，其它芯片就不一定是這個電壓了）。

這樣一來，我們讓 VDDA（ADC 外設的基準電壓）= VDD（芯片工作電壓）。當工作電壓下降時，VDDA 電壓也在下降，也就是說 4095 在下降前代表 3.3 V，那下降后代表的電壓值肯定更小了（還是代表 VDDA 的值，即總是代表的基準電壓）。

（圖片來源：茶話 MCU） 

但是不管 VDDA（VDD） 怎么變化，Vrefint 的電壓值總是穩定在 1.216 V（但是這個 ADC 值是處于變化中的）。而這也是我們反推外部電壓的基礎。

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

VDDA : 4095 = VREFINT : Adc_vrefint

因為 VDDA 等于 VDD，所以也可以認為是芯片的工作電壓。在這個公式中，Adc_vrefint 的 ADC 值我們可以通過 ADC 的特殊通道（VREFINT 通道）采集回來，而 VREFINT 我們在前面通過某個地址的 ADC 值已經計算出來了，就是 1.216 V，那么只有 VDDA 一個值不確定，計算它就是輕而易舉的事情了。

于是，通過采集 VREFINT 通道的 ADC 值，即可得到我們需要的 VDDA 值，也就是我們的芯片工作電壓！！！

這就是不用外部電路檢測芯片電壓的內幕（原理）！

本來應該一切順利，這篇筆記也有一個完美的結局，但是很不幸的是，魚鷹找遍了手冊，網上也是到處找，始終沒有找到 STM32F1xx 系列芯片校準值的保存地址，而據網上的說法是，這款芯片并沒有校準值，這就很讓人尷尬了（其它系列是否存在該校準值，可以看對應的數據手冊，如果有道友知道 STM32F1xx的地址，可留言告知）。

但是如果你對電壓精度要求不是很高的話，你可以直接認為參考電壓就是 1.200 V，用它來大概計算芯片的工作電壓也是問題不大的。而如果你要更高的精度，那么你也可以像前面說的那樣，自己找出每一顆芯片的實際參考電壓，人工校準。當然工作量就大了那么一些了（專門寫一個校準程序，把校準值寫入內部 FLASH 中）。

應用

那么這個功能一般用于什么場合呢？

實時檢測芯片的工作電壓，我們就知道芯片是否正常工作，從而排除芯片因為電源不穩導致的一些問題。同時，我們可以把這個電壓值用于前面所說的 ADC 校準中，這樣不管芯片工作電壓怎么變化（前提是芯片工作電壓和 ADC 基準電壓是一同一個），你測量的電壓值一定是準確的（即使電壓源紋波比較大）。

這個功能對于電池供電的產品尤其實用，因為電池電壓在使用過程中，肯定會發生變化，這也意味著可能你的 ADC 基準電壓發生了變化（當然你也可以使用額外的穩壓源，這樣就會增加成本）。

當工作電壓低到一定程度時，我們希望能做一些保護工作，或者保存一些參數，我們該如何做呢？三種方法：

1、通過上述方法，定時采集 參考電壓 的 ADC 值，從而得到工作電壓，當電壓低于一定水平時，再采取一些措施。

2、使用 ADC 模擬看門狗功能，將這個通道的值加入到看門狗中，如此一來，只要電壓下降到你想要的值，就可以觸發看門狗，比方法一更及時，這也是參考文章介紹的一個應用，強烈建議各位道友看看這位大佬寫的。

3、芯片內部有低電壓保護功能，當電壓低到一定水平時，可觸發中斷，但是只有幾個固定電平可選，不像上述方法可設置任意電平。

而在已出貨的產品中，可能當時我們并沒有考慮那么多，并沒有預留檢測工作電壓的電路，使用這個方法，就可以只更新軟件即可獲取工作電壓，相當實用。

這個方法魚鷹也曾用高精度穩壓源測試過，發現計算出來的電壓值精度相當高，而當魚鷹改變電壓大小時，計算出來的電壓也在實時變化，可謂實用的一匹，再也不用怕硬件工程師說你采集的 ADC 值（軟件）有問題了。

簡單總結就是，采集 ADC 外設中的 VREFINT 通道值，通過上面公式簡單計算，即可得到芯片當前的 ADC 參考電壓，也可認為是芯片工作電壓。代碼和普通的 ADC 采集沒多大區別，只是采集的通道由外部通道變為了內部通道，所以魚鷹就不再提供具體參考例子了（可惜忘記截圖了，否則更有說服力）。