基于STM32F030的低成本模拟量采集系统心得分享

青花信物

最近做了一个小案子，基本需求是采集一个电压和控制一个继电器，当电压高于某个值后打开继电器；低于某个值后关闭该继电器。精度要求也不高，0.5%的精度即可。原理很简单，实际操作也不难，但客户的要求是低成本，尽可能的压缩成本。看似简单，实际做起来遇到了些问题，在此记录下来以供大家交流分享，避免采坑。

因为考虑到成本，我一开始选用了STM32F030和ME431AXG。使用STM32F030是因为性价比很高，内置的12位AD足够使用，我也比较熟悉；使用ME431AXG是因为我觉得国产的431性能也应该是可以的，并且成本非常低。其数据手册精度指标典型值为0.15%，温漂20ppm/℃，技术指标很优秀了。

我一开始的方案是采集431的2.5V参考电压，然后通过比例关系换算出待测电压。打印换算后的待测电压发现，漂移非常严重，但我用万用表测量实际待测电压，却很稳定。我又用万用表（胜利VC97）测量431的输出，也是非常的稳定，基本就是在2.499V或者2.5V。经过调试发现，每次（239.5采样周期，14M采样频率）采得的2.5V数据漂移很大，AD数据寄存器得到的数据差值有60多，则换算下来最大最小值差了约50mV，而我只采了5个数据再做平均值明显不能消除这个波动。431电路如图1所示。

图1ME431电路

我又用示波器实测了2.5V的波形，如图2所示。

图2 2.5V基准电压波形

虽然说中低端示波器受限于AD芯片的分辨率，电压测量值并不会很准确，但大体上还是可以相信的。从图上可以看出峰峰值约有88mV（这个不准的，我测LDO输出的3.3V也有40mV的峰峰值），和用单片机测量得到的50mV很接近，即说明了基准电压确实存在这个纹波。在此说明下，整个供电是开关电源的12V通过78M05转5V，通过AMS1117-3.3转3.3V，再通过ME431转2.5V。所以这个纹波应该可以排除是开关电源的纹波。因为手边还有一块板子用的是REF3112AIDBZR，也用了AMS1117-3.3转3.3V，我就将板子（就是我这个项目的pcb）上的5V电源接到这块板子上。用示波器测量基准电源1.25V的波形如图3所示。

图3 1.25V基准电压波形

基本就是一条直线（峰峰值33mV也不可信），这个波形和ME431的2.5V波形差距就很明显了。注意下，示波器上显示的平均值是1.33V而不是1.25V，这是因为我用了约30cm长的导线将5V电源引过来，导线上存在了压降。

然后我对2.5V电压进行了连续100次的连续采集再平均，得到的寄存器的值基本就不变了，稳定在3084，误差在2左右，即最小3083，最大3085。如果以float表示，基本都在3084.1或3084.2，稳定性已经很高很高了。虽然稳定性很高了，并且也是2.5V对应的数值，但看到纹波这么大，心里还是犯怵的，所以这个方法先留着，备用。

然后我又查到了STM32F0的AD是有内部校准值的，厂家在出厂的时候把内部基准电压1.2V的校准值写进了ROM中，然后通过公式VDDA = 3.3V x VREFINT_CAL / VREFINT_DATA，具体参考en.DM00091010.pdf第205页。有人看到说STM32F0内部参考电压在1.16V~1.24V觉得精度太差没法用，不是这么理解的。你看上面的公式中就没出现1.2V这个值。内部参考电压可能是1.16V，那也没关系，VREFINT就是在标准3.3V下测的的1.16V的值，所以VREFINT_CAL / VREFINT_DATA就是一个比例关系。只要内部参考电压的温漂够好，那就好用。我实测VREFINT_DATA为1516左右，误差也在2。以float表示，波动在0.2左右。但当我加热后，折算出来的VDDA就漂移很多了。图4为我测试的数据。

图4 内部参考数值

从上图分析，想要就靠一块STM32F030做一个温度范围70度的AD测量系统，做不了高精度的，甚至连1%精度都达不到。但从数据中发现，AMS1117-3.3的输出比较稳定，未加热时3.318V（约15℃），加热到75度也就是3.323V。ME431AX加热到75度为2.496V。看来AMS1117的温漂性能不输低端的电压基准源啊。当再加热，ASM1117出现过3.324V。该LDO的稳定性能达到0.15%，我实测了一个多星期，每天测试五六次（都是在晚上七八点测量），基本都是3.318，少数3.319。所以，同意温度下的重复性精度还是很高的。后来，对于这个系统，我采用了以下方法，就一块STM32F030，一块AMS1117-3.3，一个电位器。由于LDO的初始精度不高，所以用电位器来修正。因为客户产品出厂前也要老化测试，一个月的量也就以千计，所以多一个调节电位器的动作也能接受。客户测试了多台样机，还是很满意的。

因为有了电位器修正，所以对电阻精度的要求也降低了，对运放的性能也降低了；又因为总体精度要求不高，所以采样电阻的温漂、运放的温漂也没那么重要了。所有器件都可以购买常规产品了。

对于ME431的输出感到很奇怪，不知道TI的或者其他厂家的输出是不是也这样。等我再购买几款其他厂家的试试效果。

网页排版可能凌乱，附件有pdf版。请各位大神多提宝贵意见啊。

EVahl

谢谢分享

qjp1988113

谢谢楼主分享

waerdeng

谢谢楼主分享实战经验

mayongmao

好资料，谢谢分享！~

caifish

按照道理431的性能不会这么差吧

青花信物

caifish 发表于 2020-4-7 11:08
按照道理431的性能不会这么差吧

我觉得应该也不至于，但实测就这样。原理图没有错吧。
我已购买了5款431，等到了我再做个测试。

青花信物

我又买了5种431芯片，做了测试，结果如下表所示，各波形图如图所示。






从以上波形图看出，TI、美台、安世、微盟的性能都不错，尤其是安世的，纹波和温漂性能都超过了TI的TL431BCDBZR。
我觉得，这几款的电压基准源，在我目前的原理图上再加一级阻容滤波，再加软件滤波，对于一般性（1%精度）的、温度范围50度的、低成本模拟量测量是够用的了。
另，实验还是比较粗糙的，每种只测了一个，温度也是大概的，所以结果仅供参考。

jun16

您把C4，C5去掉测试下试试 或者在C4，C5与基准芯片直接串一个电阻