當經過運算放大器隔離之后的信號輸入到STM32處理器的模擬輸入口時，

我們需要串聯一個電阻，根據規格書的A/D轉換電路框圖所示，

圖1.A/D轉換電路框圖閃

圖中RAIN為外部輸入電阻，最大值為50KΩ;

RADC為內部采樣開關電阻，最大值為1KΩ;

CADC為內部采樣和保持電容，最大值為8pF.

圖2.ADC特性參數

而外部輸入電阻的取值與采樣時間、采樣保持電容有關，如下圖：

圖3. 外部電容最大取值與采樣時間關系

這些取值背后有什么深層的邏輯，外部輸入電阻RAIN起到什么作用，應當如何取值？

外部輸入電阻的作用

一、限流作用

根據圖1所示的框圖，處理器的模擬輸入口內置了上、下拉的保護二極管。

我們所說的輸入口阻抗高，是指輸入電壓在VSS以及VDDA之間時的一種情況。

有些人不求甚解，了解到這一特性，就盲目把外部輸入電壓或者運放輸出的電壓不經過任何電阻，直接連接至輸入端口。

殊不知，這樣會導致嚴重的后果，當輸入電壓超過處理器模擬電路電源VDDA與二極管導通電壓之和時，內部的上拉二極管導通，假設輸入電壓為Vin, 外部輸入電阻為Rin，

此時流過IO口的電流為：

當沒有串聯限流電阻時，Rin=0，此時流過IO的電流非常大。

會造成IO口的損壞，甚至導致VDDA的電源無法穩壓，其輸出電壓被抬升，造成由其供電的其它器件損壞。

當電壓低于0減去二極管導通電壓時，下拉二極管可能出現同樣的情況。

這種超出輸入范圍的電壓，可能是外界的干擾導致，還有一種可能是用于調整信號的運放跟處理器的VDDA不是由同一個電源供電，而是有不同的上下電順序。

比如運放先于VDDA供電，此時運放可能輸出高電壓，而VDDA還沒有電壓，運放輸出通過內部二極管流入VDDA，出現上述分析的情況。

在規格書的最大規格參數中提到，輸入到模擬輸入口這些非5V兼容的端口的電壓不能超過4.0V，另外還有注釋說明，在任何情況下，端口的注入電流不得高于5mA，總的注入電流不得高于25mA。

IO口注入電流要求

根據這一要求，考慮當外部輸入電壓通過12V的TVS管最高鉗位至19V。

則外部輸入電阻

二、低通濾波

電阻和電容可以組成一階濾波器，如下圖所示在A/D輸入端口加上電阻、電容組成的低通濾波電路，并將電容和電阻靠近端口放置。

可以有效濾除輸入信號的干擾，包括運放輸出的干擾以及從運放到端口的導線從空間耦合的干擾。

圖4.R3、C6組成的低通濾波網絡

我們知道，R、C低通濾波網絡的-6dB截止頻率為：

截止頻率由R、C的乘積決定，當C固定時，R越小，截止頻率越高，對高頻干擾的過波效果越差。

因此，需要根據有效信號，選擇合適的電阻R以達到最佳的濾波效果。

電阻越大越好？

從輸入限流的角度來看，輸入電容越大越好。

但是我們還需要考慮對A/D轉換的影響。

A/D轉換器的每一個通道都有模擬開關，分為以下步驟完成一次轉換：

1)選通模擬開關，此時外部電壓通過外部輸入電阻以及模擬開關的電阻向采樣保持電容充電（輸入端口與地之間沒有并聯電容)；

2) 選通一段時間后，斷開模擬開關，由于采樣保持電容兩端的電壓不能突變，所以電容能保持輸入電壓；

3) 轉換器對采樣保持電容上的電壓與參考電壓進行逐次比較，將模擬量轉為數字量。

在STM32處理器中，模擬開關的選通時間可以通過寄存器設置，如下圖：

圖5.采樣時間的設置

當圖4的電路中，當不存在C6時，在步驟1的采樣內，其等效電路為：

圖6.充電電路

此時，VADC的充電方程表示為：

在步驟1結束時，時間t=ts，得到采樣保存電容上的電壓為：

其與輸入電壓VIN的誤差值為：

對應的A/D值為：

式中N為A/D轉換器的位數，

ADC的分辨率為1/2LSB，誤差必須比分率更小，考慮小于1/4LSB，得到：

當VIN=VDDA時，所產生的誤差最大，所以有：

化簡得到：

而ts=Ts*1/fADC，最終得到：

在前幾天分享的代碼中，fADC=14MHz, Ts=28.5cycles ，N=12，則可以算出：

RIN< 25.2kΩ。

另外還需要考慮到端口的輸入漏電流對A/D采樣精度的影響；

從圖1中可以看到漏電流為1uA，等效于下拉3MΩ的漏電阻。

簡單估算為了達到0.1%的精度，

RIN+RADC<3kΩ， RIN<2kΩ。

總結

當輸入電壓超過端口允許電壓范圍時，流過端口電流必須小于5mA，要求電阻必須大于5kΩ。

為了濾除高頻干擾，在輸入端增加R、C低通濾波網絡，電阻R的阻值應盡量大，以增強濾波效果，但是需要根據有效信號的頻率選擇合適的R、C。

為了在采樣時間內，采樣保持電容上的電壓與實際輸入電壓的誤差可以被忽略，由采樣保持時間，采樣頻率，ADC的位數計算出最大輸入電阻阻值。

為了降低ADC轉換器的漏電流對測量精度的影響，根據精度要求估算出最大輸出電阻。

在ADC輸入口并聯電容，可以再實現一級ADC的充放電的緩沖，使得外部輸入電阻增大的情況下，采樣保持電容由并聯電容充電，仍然可以滿足分辨率要求。