【实战经验】运算放大器OPAMP在STM32L4上的应用

2017-9-26 10:39

本帖最后由香水城于 2017-9-26 10:45 编辑

运算放大器OPAMP在STM32L4上的应用

前言
STM32L4集成了运算放大器(OPAMP)，可对模拟信号进行放大处理，可节省MCU外接OPAMP的硬件成本。本文档将介绍STM32L4的片内OPAMP的不同工作模式，并提供配置OPAMP的例程。

STM32L4运算放大器特性
以下是STM32L4 OPAMP的关键特性：
 轨对轨输入、输出；
 低漂移电压，且漂移可以在应用中校准；
 两种功耗操作模式：
    正常模式：约120微安电流
    低功耗模式：约40微安电流
 多种片内配置：
    标准模式：外部增益设置
    跟随器模式
    PGA模式：内部增益设置(2倍，4倍，8倍，16倍)
    PGA模式：用于滤波的反向输入内部增益设置(2倍，4倍，8倍，16倍)
 增益带宽：1.6MHz
 快速的唤醒时间：支持模式10微妙，低功耗模式30微妙。
 输入失调电压：校准之后的输入偏移电压小于1mV，出厂设置的偏移电压为10mV。
 输入偏置电流：小于±1nA(对于专用模拟引脚)
 工作条件：1.8V<VDDA<3.6V

图1 标准模式，外部增益设置
使用内部开关连接反向输入到外部电阻，运算放大器可以被配置为使用外部反馈电阻的运算放大器电路。

图2 跟随器模式
使用内部开关连接输出到反向输入，运算放大器可以被配置为一个内部电压跟随器。内部电压跟随器模式下，被分配到运算放大器的反向输入引脚是空闲的，所以该引脚可以被配置为GPIO的其它功能功。

图3 PGA模式，内部增益设置(增益=2,4,8,16)
STM32L4的运算放大器支持使用4个固定增益的反向放大器模式。反馈电阻通过可编程增益放大器功能来配置2,4,8或16倍的增益。

图4 PGA模式，内部增益设置(增益=2,4,8,16)，使用反向输入端进行滤波
运算放大器也支持输出到反向输入的外部连接来创建PGA模式，使用外部电容来添加PGA配置的低通滤波器特性。

硬件环境
本文档硬件环境基于STM32L476G-EVAL，硬件原理图如下：

图5 STM32L476G-EVAL OPAMP电路
OPAMP1的输入和输出分别对的引脚是PA0，PA1和PA3，同向输入P0连接到JP7的1脚，运放的输出PA3有个测试点TP9。运放OPAMP1的增益取决于电阻RV2和R121，增益的计算公式如下：
增益 = 1 + (RV2) ÷ (R121)
RV2的阻值范围从0到10kΩ，R121是1kΩ，增益可从1到11变化，连接到PA0的电阻R63可以减小输出的偏移。

软件配置
以外部增益配置为例，进行STM32CubeMX配置，在配置之前确保CN10连接上，JP10连接到12方向或者23方向。
1.选择STM32L476ZGTx，如下所示：

2.配置时钟为80MHz系统时钟，如下图所示：

3.配置OPAMP1为标准外部增益配置模式，如下图所示：

至此，CubeMX中已经配置了一个简单的OPAMP外部增益配置的例子，使用CubeMX生成工程代码，并在main.c中添加如下代码来开启OPAMP。

运行软件后，调节RV3来调节OPAMP的正向输入电压，调节RV2来调节OPAMP的增益，通过电压测量工具可测量OPAMP的正向输入与输出电压，通过输出电压与输入电压比值和(1+RV2/R121)进行对比。

总结
片内的OPAMP可对模拟信号进行放大处理，配合片内的DAC等外设，可实现各种不同的应用。本文档提供了STM32L4 OPAMP的一个简单易用的例子，更多详细的应用请参考STM32L4x6用户手册等资料。

对应的PDF和代码链接：运算放大器OPAMP在STM32L4上的应用
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