参考电压对电阻型传感器的采样影响

目前软件经常有一个比较大的疑问就是，对于NTC电阻或者电阻型传感器的采样，当外部的5V参考电压发生变化的时候，我的ADC采样得到的电压是否可信，为了更好的解释这个问题，分为几个方面介绍一下ADC采样。

第一节ADC类型内容引用自知乎文章，原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/258434654

目前应用比较广泛的ADC有逐次逼近型（SAR）和Sigma Delta型（Σ-Δ）型两种。

其中SAR类型使用数字电路控制DAC输出一个变化的电压，并用此电压和输入电压比较，经过多次比较逐渐使DAC输出接近输入电压，从而得出数字输出。目前我们单片机内部用到的ADC基本上都是这种类型的。这种类型的ADC在12位精度以内的时候价格比较便宜，超过12位就很贵了。

工作原理举例：假设ADC参考电压为5V，输入电压为3.2V。

压控寄存器最高位置为1，其余位为0，DAC输出参考电压一半2.5V，输入3.2 > 2.5,比较器输出1，压控寄存器最高位1保留。然后次高位置1，DAC输出3.75V，此时3.2V < 3.75V,比较器输出0，压控寄存器次高位置0。之后与3.125V比较得到1，与3.4375V比较得到0。这样如果是8位ADC，最后就得到数字输出10100011。

Sigma Delta型的工作原理稍微复杂一点，工作过程如下：输入电压减去DAC输出后的差值经过积分器后和0V电压比较，如果大于等于0V输出1，否则输出0。以一定的频率控制比较器输出形成比特流，控制DAC输出电压，1控制DAC输出+Vref参考电压，0控制DAC输出-Vref参考电压。当DAC在比较器输出的比特流控制下高速切换时，类似于PWM在输出端产生一个平均电压。容易看出，全1的比特流对应的平均电压为+Vref，全0的比特流对应的电压为-Vref，如果1和0各占一半，那么对应的电压是0V。

当平均电压Vadc小于输入Vin时，趋向于输出更多的1来增大Vadc。当平均电压Vadc大于Vin时，趋向于输出0来减小Vadc。这样一个合适的1，0比率的比特流会使Vadc最接近Vin，达到平衡状态。后级的数字滤波和裁决器从1，0的比率就可以推断出输入电压Vin的大小。

以英飞凌的TC3XX系列为例，ADC模块的参考电压为VAREF1，另外MCU还有很多其他电源输入管脚，有给ADC模块供电的管脚，有给内部flash供电的1.25V管脚（一般通过内部LDO转换得到，管脚仅用于连接滤波电容） ，还有给到震荡电路的5V等等。

以上面贴图的单片机为例，单片机是单5V供电，给到VAREF的电压也是通过电源芯片的5V给过来的，只是在中间加了一个磁珠用于滤波。因此给到MCU的ADC参考电压其实就是一个普通的5V而已，电源的输入范围在4.9V~5.1V之间。并且MCU的其他电源口也能接受这个电源输入的波动，对其工作没有影响。

对于一般的ECU来说，外部会接很多其他的附件，包括一些NTC电阻或者需要5V供电的电阻型传感器，对于NTC电阻型的输入，其上拉电源比较好解决，一般再通过一个磁珠直接连到VAREF上去。而对于需要5V供电的传感器，则需要ECU提供5V参考电源，而这个参考电源肯定是需要满足ECU整体的短路测试要求的，那就不能直接将VAREF连接到ECU外部给到其他传感器来使用。

因此在进行电源设计的时候，需要设计一个Tracking电源，用于给到外部的传感器，Tracking可以理解为一个电压跟随器，因此Track输出的电压能够很好的跟随VAREF，方便理解就是Tracking输出的电压跟VAREF一直保持一致。

而当输出给到外部的Tracking电压出现短路或者负载过大造成电压变化，也不会影响到VRAEF。

因此对于需要外部供电的传感器的电路拓扑，就可以简化成下面SENSOR这个样子。用于计算电阻分压的上拉电压为5V-VAREF。而对于NTC类型的外部附件，其内部上拉电压就是VAREF。

假如软件开发中选择的参考电压是5V，AD是12位的，AD的每一位对应的电压就是5V/4096=1.22mV。那么当你的输入电压是大于或者等于5V的时候你的单片机的寄存器显示应该是4095，如果输入是0V的输入那单片机寄存器的值就是0 。

但是在这种应用的情况下，参考电压的精度就变的不是非常重要了，假设电源输出的电压因为硬件差异变成了5.1V，那AD对应的每一位的电压就是5.1V/4096=1.245mV。如果Sensor或者NTC刚好分压之后是参考电压的一半，也就是2.55V，这样在单片机内部解析出来的ADC值就是2550/1.245=2048。

但是在软件的计算中，它还是认为每一位ADC对应的电压是1.22mV，那么上报上来的电压就是2.5V。也就是实际输入2.55V，检测到的却是2.5V，那这对我们的NTC采样有没有影响呢？实际上也是没有影响的。

以10K上拉为例，假设这时候NTC也是10K。那么参考电压是5.1V，ADC端口的实际采集电压是2.55V，但是软件上报的是2.5V。

再看一下NTC电路的计算公式，在软件内部，根据欧姆定律有：5V*（NTC/（10K+NTC））=VADC，解方程NTC=10*VADC/（5-VADC）。VADC是已知的2.5V，计算出来NTC=10K，然后通过倒查R-T表，就能得到正确的温度了。

对于电阻型的外部传感器，原理也是一样的，这种传感器一般是以开度，或者行程与内部的电阻呈线性关系。假设该传感器是一个全范围阻值为10K的滑动变阻器，30%开度对应的就是该电阻传感器输出电压是30%*VAREF，那么就与NTC电阻一样的计算公式。VAREF变化的时候，传感器的输出电压也是呈比例的变化，最终计算得到的开度或者行程也与实际情况一致。

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