看到网友分享设计中的疑似电池电压测量电路的设计疑问

Rabbitoose · 发表于 2022-2-22 13:39:20

有一个网友在网上分享了他打样的PCB，我看到他充电芯片旁边放了一堆器件，仔细看了一下，是如下图所示的电路图（只能看到连线和位号，所以具体阻值和Q2、Q3的型号是我猜测的）。

我推测这个电路只是用来测量电池电压（电量）的，它存在的好处是省电，因为在默认状态下，mcu的MCU_VBAT_SWITCH引脚为低电平，Q2和Q3截止（只有体二极管的反向漏电流）。
但是这个功能模块用了5个电阻和2个管子，也有复杂、成本、占地方等缺点。

我的疑问是，如果把R12、R13用阻值比较大的电阻不行吗？比如2M电阻，则电流也只有4/2M=2uA的电流啊。

求帮忙分析。

avr9299 · 发表于 2022-2-22 13:43:31

要ADC输入阻电阻高才行

makesoft · 发表于 2022-2-22 13:50:55

既然是可控分压，就没有必要用很大的电阻，这个电路使用起来应该是没有什么问题的。

cne53102 · 发表于 2022-2-22 13:53:53

很多MCU的ADC通常很不完美（甚至独立的ADC也有），并不是绝缘体一样的东西，所以当输入信号串联了很大的电阻时，会因为有电流而导致电压发生变化，就不准了。
AVR的ATmega328输入有100M，但STM32f051最大却也只有50K。。在这一点上反而被AVR吊打。
如果是用AVR，用M级的电阻可能也没问题，但STM32上去根本就测不到正常的结果。

ackyee · 发表于 2022-2-22 14:06:46

你好像完全没搞懂这两个电阻的作用，这样个电阻是用来分压的    电池电压盲猜最大电压大于单片机的 ADC 最大电压了所以才要分压

另外2M 的电阻会直接导致测量到的ADC 值不准拨动  易干扰，导致结果完全不正确 100K 就会出问题了  你还上了2M

另外 ADC 采样本身就是高阻的  也不耗费多少电流

Rabbitoose · 发表于 2022-2-22 14:18:04

谢谢各位的回复，我明白了。

我主要的问题就是没有意识到分压的两个电阻需要考虑AD的输入阻抗所以不能用很大阻值的这一点。

R88 · 发表于 2022-2-22 16:53:44

Rabbitoose · 发表于 2022-3-5 21:12:58

谢谢各位的回复。

我今天在验证板上实际实验了一下，我用的R12=20KΩ，R13=10KΩ，使用stm32f103c8进行测试（电压3.3V，12Bit ADC)，ADC实测值记为fvalue，转换公式为

Voltage = fvalue * 3.3 / 4096 * (10 + 20) / 10

复制代码

万用表测得电池电压为3.94V，程序输出为3.93V。
貌似很吻合，但是我有一事不解。
既然stm32 adc的输入阻抗较低，那么我在上述公式计算的时候，接地10KΩ的阻值是否要考虑是和ADC的50KΩ并联的（电流分流），这样R13进行分压计算时的阻值应该取为

R = (50 * 10) / (50 + 10) = 8.33KΩ

复制代码

比较合适？
但是按这种方式的话，计算出来的电池电压反而为4.35V，与实际偏差更大。
这是为什么？

谢谢@R88 的回复，但是你贴的图我一下子看不懂，改天我再仔细看看。

小白躺手吃 · 发表于 2022-3-5 22:16:04

Rabbitoose 发表于 2022-3-5 21:12
谢谢各位的回复。

我今天在验证板上实际实验了一下，我用的R12=20KΩ，R13=10KΩ，使用stm32f103c8进行测 ...
(引用自8楼)

ADC输入阻抗并没有50K这么低

redroof · 发表于 2022-3-5 22:35:25

小白躺手吃发表于 2022-3-5 22:16
ADC输入阻抗并没有50K这么低
(引用自9楼)

等效的输入阻抗与AD的采样周期数有关。上面有AD内部的输入电路原理图。采样时间越短，等效的输入阻抗就越小。

小白躺手吃 · 发表于 2022-3-7 09:57:42

redroof 发表于 2022-3-5 22:35
等效的输入阻抗与AD的采样周期数有关。上面有AD内部的输入电路原理图。采样时间越短，等效的输入阻抗就越 ...
(引用自10楼)

嗯是的,楼主这问题应该是充分充电了,所以无需再考虑等效电阻并联的问题

Rabbitoose · 发表于 2022-3-7 10:15:23

谢谢 @cne53102 @R88 @redroof 三位大哥的回复。由于我底子薄弱，必须得仔细看才能抓住你们话中的要点。

今天我做了一番功课，再次将我的应用情景具体计算一遍，交个作业，并且还有疑问，请再帮我看看。

我用的是stm32f103c8，参考 @R88 大哥给的资料，具体计算如下：

采样频率fADC（Hz）
在时钟树中，设置APB2分频设为1（即72MHz），ADC预分频设为6（即12MHz），即采样频率为12MHz。

采样时间（S）
我在STM32CubeMX中在Rank中将Sampling Time设为1.5 Cycles，则采样时间为
ts = 1.5*(1/fADC) = 1.5*(1/12MHz) = 0.125uS
（另外，转换时间需要在采样时间之上再加上12.5 Cycles，但是我这里应该使用采样时间计算，没错吧？）

采样电阻RADC（Ω）
根据mcu手册中5.3.18 12-bit ADC characteristics表中的数据，其采样电阻为1KΩ。

内部采样保持电容CADC（F）
同上，根据手册得知为8pF。

分辨率
是12-bit ADC，故分辨率为4096。

转换精度要求
按0.1LSB

最后按照公式计算，传感器等效电路R0的最大值为：
R0=-T/(C*ln(0.1/4096))-RADC=-0.125uS/(8pF*(-10.62))-1KΩ=0.125*1000000/8/10.62-1000=470Ω

这个结果表明输入阻抗得很小才行啊，那么我之前采用了20k+10k的分压电路，为什么最后得出的结果跟实际电压又很吻合呢？真的会如@小白躺手吃说的那样已经充分充电了吗？

所以，要得到更准确的结果，我需要把采样时间设为一个更大的值比如55.5 Cycles，则等效电路R0的最大值为：
R0 = 55.5/12*1000000/8/10.62-1000=53.4kΩ

实际应用中是不是会在采样频率满足的前提下使用更大的采样周期？

redroof · 发表于 2022-3-7 11:47:24

Rabbitoose 发表于 2022-3-7 10:15
谢谢 @cne53102 @R88 @redroof 三位大哥的回复。由于我底子薄弱，必须得仔细看才能抓住你们话中的要点。

...
(引用自12楼)

因为你是单通道采样的，只用了这一个通道，而且被采样的数据又是恒定值。这时候当然不需要考虑采样时间，反正第一个周期充一点，第二个周期在充一点，总会充够的。
不信你可以轮流采两个通道，一个通道是你正常的信号，另一个通道接地。
看这个时候你的采样结果是对是错

R88 · 发表于 2022-3-7 17:14:42

Rabbitoose 发表于 2022-3-7 10:15
谢谢 @cne53102 @R88 @redroof 三位大哥的回复。由于我底子薄弱，必须得仔细看才能抓住你们话中的要点。

...
(引用自12楼)

我发的是多个通道共用一个采样保持电路，当然你要是只用了一个ad口，不用那个计算也行，如果你用了2个ad口，就需要在规定的时间里面充满电。其实就是RC充电时间的计算。

monkeynav · 发表于 2022-3-7 17:17:48

r13接到ad输入，不是应该并个电容吗

tomzbj · 发表于 2022-3-7 17:23:27

不用这么复杂吧, 只要两个电阻串联就行了, 上端接电池, 中间接ADC, 底下接到gpio. 底下的gpio拉低时测量, 不测量时切到高阻就行了.

如果嫌底下的gpio的箝位二极管倒灌, 那就把底下再接个NMOS, 用一个gpio控制.

测量也省事, 底下gpio用一路timer, 占空比设到很低, 用边沿触发adc采样就行了.

worldwide · 发表于 2022-3-7 17:48:16

tomzbj 发表于 2022-3-7 17:23
不用这么复杂吧, 只要两个电阻串联就行了, 上端接电池, 中间接ADC, 底下接到gpio. 底下的gpio拉低时测量, ...
(引用自16楼)

在电流要求的情况下不能这样接，会有几ua的漏电

Rabbitoose · 发表于 2022-3-7 19:50:09

谢谢@redroof和@R88的再次指导，这个知识点我已经大致明白了，回头再看书补补功课吧。

谢谢！

Rabbitoose · 发表于 2022-3-7 20:05:23

tomzbj 发表于 2022-3-7 17:23
不用这么复杂吧, 只要两个电阻串联就行了, 上端接电池, 中间接ADC, 底下接到gpio. 底下的gpio拉低时测量, ...
(引用自16楼)

是这样吧？

这样确实简单了很多，跟你上次指点我3V控制5V开关的电路有异曲同工之妙。
我后面就按照这种方式使用。

谢谢。

acmilannast · 发表于 2022-3-8 15:19:49

Rabbitoose 发表于 2022-3-7 20:05
是这样吧？

这样确实简单了很多，跟你上次指点我3V控制5V开关的电路有异曲同工之妙。
(引用自19楼)

这个两个电路前提是 MCU IO支持大于3.3v耐压如5v耐压。。。

Rabbitoose · 发表于 2022-3-8 16:50:14

acmilannast 发表于 2022-3-8 15:19
这个两个电路前提是 MCU IO支持大于3.3v耐压如5v耐压。。。
(引用自20楼)

嗯，确实是的。谢谢提醒。

iamseer · 发表于 2022-3-10 10:57:37

看到这个帖子我想到之前用CH573测量电池电压，看到客服说用1M+2M分压可以省电，我就这么干了。结果测量结果误差在0.5V以上。手册里没有标ADC输入阻抗，但IO的输入漏电流最大是3uA，那MOhm级电阻肯定是不能用了。我指出这点后客服就装死了。

这种情况应该就只能使用这种比较复杂的电路了。

mrf245 · 发表于 2022-3-11 13:46:52

别小看那几uA电流，对于很多要求低功耗且电池更换麻烦（例如某些特殊位置的采样装置）来说，减小这几uA对产品寿命影响非常大

看到网友分享设计中的疑似电池电压测量电路的设计疑问

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