第8章模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)

第8章模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）8.1ADC概述8.1.1ADC的結(jié)構(gòu)與特點8.1.2ADC的寄存器8.2ADC的工作方式

8.2.1自動轉(zhuǎn)換排序器的工作原理8.2.2連續(xù)自動排序模式8.2.3排序器的啟動/停止模式8.2.4輸入觸發(fā)源8.2.5排序轉(zhuǎn)換時的中斷操作8.3ADC時鐘預(yù)定標8.4低功耗模式與上電次序周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院對一個DSP應(yīng)用系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集的重要性是十分顯著的，而A/D轉(zhuǎn)換器是（ADC）采集通道的核心，也是連接DSP與外界模擬信號的橋梁?？赏ㄟ^ADC將諸如穩(wěn)定、濕度、壓力、流量、電壓等外部模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以便提供給DSP使用，從而實現(xiàn)數(shù)字控制、數(shù)字信號處理等。TMS320F281x片內(nèi)集成了ADC。本章將詳細介紹ADC的結(jié)構(gòu)與特點、ADC的寄存器、ADC的工作方式以及ADC時鐘預(yù)定標等內(nèi)容。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院8.1ADC概述TMS320F2812DSP片內(nèi)的ADC模塊是一個12位分辨率的、具有流水線結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），包括模擬電路單元和數(shù)字電路單元兩部分。其中模擬電路單元（也稱為ADC核）包括前端模擬多路復(fù)用器（MUXs）、采樣保持電路（S/H）、轉(zhuǎn)換內(nèi)核、電壓調(diào)節(jié)器以及其他模擬支持電路等；數(shù)字電路單元（也稱為輪詢程序）包括可編程轉(zhuǎn)換排序器、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器、模擬電路接口、設(shè)備外圍總線接口以及其他片上模塊接口等。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院

12位ADC模塊，內(nèi)含采樣/保持電路。同時采樣或順序采樣模式。模擬輸入范圍0~3V。

25MHz的ADC時鐘頻率，轉(zhuǎn)換時間短。

16通道，多路選通輸入?？稍谝淮尾蓸又型瑫r實現(xiàn)16路自動轉(zhuǎn)換的自動排序。排序器可以作為兩個獨立的8通道排序器或一個16通道排序器(即級聯(lián)模式)。16個結(jié)果寄存器存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果，皆可獨立尋址。8.1.1ADC的結(jié)構(gòu)與特點周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院多個觸發(fā)源可以啟動A/D轉(zhuǎn)換。包括軟件(S/W,Software)啟動、事件管理器A/B(多個觸發(fā)源)啟動、外部引腳觸發(fā)啟動。靈活的中斷控制，允許每個排序的結(jié)束(EOS,EndofSequence)或每兩次EOS申請中斷一次。排序器可以工作在啟動/停止模式，允許多個時間排序的觸發(fā)源同步轉(zhuǎn)換。EVA、EVB觸發(fā)源可以獨立工作在雙排序器模式。采樣保持(S/H)獲取時間窗有單獨的預(yù)分頻時鐘。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院ADC模塊原理框圖周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院片上ADC模塊有：3個控制寄存器（ADCTRL1~3)1個狀態(tài)寄存器（ADCST）4個輸入通道選擇排序控制寄存器（ADCCHSELSEQ1~4)1個自動排序狀態(tài)寄存器（ADCASEQSR）1個最大轉(zhuǎn)換通道寄存器（ADCMAXCONV）16個結(jié)果寄存器（ADCRESULT0~15）。ADC模塊寄存器如表8-1所示。該表中的寄存器映射到外設(shè)幀PF2中，這個空間只允許16位訪問，32位的訪問會產(chǎn)生未定義的結(jié)果。8.1.2ADC的寄存器周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院ADC控制寄存器1：ADCTRL1位14RESET:模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊軟件復(fù)位位。為1，復(fù)位模塊。位13~12SUSMOD1~SUSMOD0：仿真懸掛模式。位11~8ACQ_PS3~ACQ_PS0：采樣時間窗寬度位。位7CPS：內(nèi)核時鐘預(yù)分頻器。設(shè)定對外設(shè)高速時鐘(HSPCLK)的分頻。位6CONTRUN：連續(xù)運行位。0：啟動/停止模式。1：連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。位5SEQOVRD：排序器超越模式位。1：使能超越模式。位4SEQCASC：級聯(lián)排序器工作模式位。0：雙排序器工作模式。l：級聯(lián)模式。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院ADC控制寄存器2：ADCTRL2位15EVBSOCSEQ：級聯(lián)排序器模式下EVBSOC使能位。1：EVB的信號啟動級聯(lián)的排序器SEQ。

位14RSTSEQ1：復(fù)位排序器1位。1：立即將排序器復(fù)位到CONV00。

位13SOCSEQ1：開始轉(zhuǎn)換SOC觸發(fā)排序器1。位11INTENASEQ1：排序器SEQ1的中斷使能位。1：使能。位10INTMODSEQ1：排序器SEQ1的中斷模式控制位。0：每個SEQ1排序結(jié)束時置1。

1：每隔一個SEQ1排序結(jié)束時置1。

位8EVASOCSEQ1：EVA對SEQ1產(chǎn)生SOC信號的屏蔽位。1：使能EVA的觸發(fā)信號源啟動SEQ1/SEQ。

周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院位7EXTSOCSEQ1：外部信號啟動SEQ1轉(zhuǎn)換位。1：使能。位6RSTSEQ2：復(fù)位排序器2。l：立即復(fù)位SEQ2

。位5SOCSEQ2：啟動SEQ2轉(zhuǎn)換位。位3INTENASEQ2：SEQ2的中斷使能控制位。1：使能。位2INTMODSEQ2：SEQ2的中斷模式控制位。0：每個SEQ2排序結(jié)束時置1。

1：每隔一個SEQ2排序結(jié)束時置1。

位0EVBSOCSEQ2：EVB對SEQ2產(chǎn)生SOC信號的屏蔽位。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院ADC控制寄存器3：ADCTRL3位7~6ADCBGRFDN1、ADCBGRFDN0：模數(shù)轉(zhuǎn)換內(nèi)部帶隙(Bandgap)和參考電壓源電路的電源上電。這兩位控制ADC內(nèi)部參考電壓源電路的上電與斷電。位5ADCPWDN：模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊掉電控制位。位0SMODE_SEL：采樣模式選擇位。0:順序采樣。1：同時采樣。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院位4~1ADCCLKPS[3~0]：內(nèi)核時鐘分頻器。ADC時鐘分頻情況

ADCCLKPS[3~0]內(nèi)核時鐘分頻ADCLK00000HSPCLK/(ADCTRLl[7]+1)000l1HSPCLK/[2*(ADCTRLl[7]+1)]00102HSPCLK/[4*(ADCTRLl[7]+1)]………111014HSPCLK/[28*(ADCTRLl[7]+1)]111115HSPCLK/[30*(ADCTRLl[7]+1)]周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院最大通道轉(zhuǎn)換寄存器：ADCMAXCONV位6~0MAXCONVn：定義一次自動轉(zhuǎn)換最多可以轉(zhuǎn)換的通道個數(shù)。一次轉(zhuǎn)換的個數(shù)為MAXCONVn+1。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院自動排序狀態(tài)寄存器：ADCASSR位11~8SEQCNTR[3~0]：排序計數(shù)器狀態(tài)位。在轉(zhuǎn)換排序開始時，SEQCNTR[3~0]初始化為MAXCONV中的值。在一個自動轉(zhuǎn)換排序的每一個轉(zhuǎn)換之后，排序器的計數(shù)器減1。位6~0是排序器SEQ2和SEQ1的指針。作為TI測試用。

周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院ADC狀態(tài)和標志寄存器：ADCST位7EOSBUF2：SEQ2的排序緩沖器結(jié)束位。位6EOSBUF1：SEQ1的排序緩沖器結(jié)束位。位5INTSEQ2CLR：SEQ2中斷清零位。位4INTSEQ1CLR：SEQ1中斷清零位。位3SEQ2BSY：SEQ2忙狀態(tài)位。位2SEQ1BSY：SEQ1忙狀態(tài)位。位1INTSEQ2：SEQ2中斷標志位。位0INTSEQ1：SEQ1中斷標志位。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院ADC輸入通道排序寄存器:ADCCHSELSEQ1~4每4位的CONVnn選擇16路模擬輸入通道中的一個作為自動排序的轉(zhuǎn)換通道。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果緩沖寄存器:ADCRESULT0~15寄存器ADCRESULTn中12位轉(zhuǎn)換結(jié)果是左對齊的，即存放在16位寄存器的高12位。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院由ADC模塊原理框圖可以看出，ADC共有16個輸入通道引腳，分成為兩組，一組是ADCINA0~ADCINA7，使用采樣保持器S/H-A，對應(yīng)于排序器SEQ1；另一組是ADCINB0~ADCINB7，使用采樣保持器S/H-B，對應(yīng)于排序器SEQ2。本節(jié)將介紹F2812內(nèi)部的ADC是如何工作的，即ADC的工作方式。8.2ADC的工作方式周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院自動排序器的作用是為需要轉(zhuǎn)換的模擬輸入通道安排轉(zhuǎn)換的順序，即確定先采哪個通道，后采哪個通道。ADC的排序器由2個8狀態(tài)排序器SEQ1和SEQ2組成，它們也可以級聯(lián)成1個16狀態(tài)排序器。這里所說的“狀態(tài)”是指排序器中能夠完成A/D轉(zhuǎn)換通道的個數(shù)。排序器又可以分為單排序器（級聯(lián)構(gòu)成16狀態(tài)）模式和雙排序器（2個相互獨立的8狀態(tài)）模式。

8.2.1自動轉(zhuǎn)換排序器的工作原理周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院單排序器（級聯(lián)為16狀態(tài)）模式下自動排序ADC結(jié)構(gòu)框圖

周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院雙排序器（兩個獨立的8狀態(tài)）模式下自動排序ADC結(jié)構(gòu)框圖

周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院ADC單操作模式和級聯(lián)操作模式比較特點單8狀態(tài)排序器1(SEQ1)單8狀態(tài)排序器2(SEQ2)級聯(lián)16狀態(tài)排序器(SEQ)開始轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(SOC)EVA,軟件,外部引腳EVB,軟件EVA,EVB,軟件,外部引腳最大轉(zhuǎn)換數(shù)(即排序器長度)8816自動停在排序器的結(jié)尾(EOS)是是是優(yōu)先級高低無效ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器0~78~150~15ADCCHSELSEQn位的分配CONV00~CONV07CONV08~CONV15CONV00~CONV15周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院為講解方便，規(guī)定排序器的狀態(tài)如下：排序器SEQ1：CONV00-CON07排序器SEQ2：CONV08-CON15排序器SEQ：CONV00-CON15轉(zhuǎn)換觸發(fā)特性：SEQ1：軟件、EVA、外部引腳，優(yōu)先級高于SEQ2SEQ2：軟件、EVB，優(yōu)先級低于SEQ1SEQ：軟件、EVA、EVB、外部引腳，無仲裁優(yōu)先級由每個排序所選的模擬輸入通道由排序控制寄存器（CHSELSEQn)的CONVnn位域（4位長）所定義，可指定16通道中的任何一個。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院

此模式，SEQ1或SEQ2在一次排序過程中，可對8個轉(zhuǎn)換通道進行自動排序。轉(zhuǎn)換結(jié)果被保存到8個結(jié)果寄存器（SEQ1為ADCRESULT0~7，SEQ2為ADCRESULT8~15）。

在一個排序中的轉(zhuǎn)換個數(shù)受寄存器ADCMAXCONV中的一個3位域或4位域MAXCONVn控制。它的值在自動排序轉(zhuǎn)換開始時被自動裝載到自動排序狀態(tài)寄存器（ADCASEQSR)的排序計數(shù)器狀態(tài)位SEQ

CNTR3~0中。

MAXCONVn位域的值在0～7之間，排序器從狀態(tài)CONV00開始轉(zhuǎn)換，SEQCNTRn位域從裝載值開始向下計數(shù)，直到SEQCNTRn為0。

一次自動排序中完成的轉(zhuǎn)換數(shù)為MAXCONVn+1。8.2.2連續(xù)自動排序模式周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院連續(xù)的自動排序模式流程

一旦轉(zhuǎn)換啟動（SOC)觸發(fā)信號被排序器收到后，轉(zhuǎn)換立即開始，轉(zhuǎn)換通道數(shù)載入SEQCNTRn位域，按照ADCCHSELSEQn寄存器指定的通道順序進行轉(zhuǎn)換。

每個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，SEQCNTRn自動減1。當SEQCNTRn達到0時，將根據(jù)ADCTRL1寄存器的連續(xù)運行位（CONTRUN)狀態(tài)，發(fā)生以下事情：周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院(1)如果CONTRUN位＝1，轉(zhuǎn)換排序自動再次啟動（即SEQCNTRn重載MAXCONV1中的初始值，且SEQ1狀態(tài)被置于CONV00）。在這種情況下，必須確保在下一次轉(zhuǎn)換排序之前讀取結(jié)果寄存器。在ADC模塊向結(jié)果寄存器寫入數(shù)據(jù)而用戶卻想從結(jié)果寄存器讀取數(shù)據(jù)時，ADC的仲裁邏輯確保結(jié)果寄存器不會崩潰。(2)如果CONTRUN位＝0，則排序器工作于啟動/停止模式，排序器會停留在最后的狀態(tài)（例如CONV06），并且SEQCNTRn繼續(xù)保持0值。因為每次SEQCNTRn達到0時，中斷標志會被置1。如果需要，用戶可使用ADCTRL2寄存器的RSTSEQn位，在中斷服務(wù)程序中復(fù)位排序器，以便下一次轉(zhuǎn)換啟動時，SEQCNTRn可以重載MAXCONV1的初始值，且SEQ1狀態(tài)被設(shè)置為CONV00。這一特性在排序器的啟動/停止操作中非常有用。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院

除了連續(xù)自動排序模式外，任何一個排序器（SEQ1、SEQ2或SEQ）都可工作在啟動/停止模式。

在此模式，可實現(xiàn)多個啟動轉(zhuǎn)換觸發(fā)在時間上同步。但是排序器完成一個轉(zhuǎn)換序列之后，可以在沒有復(fù)位到初始狀態(tài)CONV00情況下，被重新觸發(fā)。因此當一個轉(zhuǎn)換排序結(jié)束后，排序器停留在當前的轉(zhuǎn)換狀態(tài)。在這種方式下，ADCTRL1寄存器的連續(xù)運行位ADCTRL1.6位（CONTRUN位）必須設(shè)置為禁止（寫0）。8.2.3排序器的啟動/停止模式周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院每一個排序器都有一組能被使能或禁止的觸發(fā)源。SEQ1、SEQ2和SEQ的有效輸入觸發(fā)源見表8-9。8.2.4輸入觸發(fā)源周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院

排序器在轉(zhuǎn)換期間可以使用中斷方式1和中斷方式2兩種方式產(chǎn)生中斷，這兩種方式由ADCTRL2寄存器中的中斷使能位和中斷方式控制位決定。中斷方式1是每個排序序列轉(zhuǎn)換結(jié)束時產(chǎn)生中斷請求，即每轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOS）一個序列，便產(chǎn)生一次中斷請求。中斷方式2是每隔一個排序序列轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOS）時產(chǎn)生中斷請求，即不是每次轉(zhuǎn)換結(jié)束都會產(chǎn)生一個中斷請求，而是一個隔一個地產(chǎn)生。8.2.5排序轉(zhuǎn)換時的中斷操作周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院通過前面幾章的學習，已經(jīng)知道晶振經(jīng)過PLL模塊之后產(chǎn)生了SYSCLKOUT，而CPU時鐘信號經(jīng)過高速時鐘預(yù)定標器之后生成了高速外設(shè)時鐘HSPCLK提供給了像AD、EV這樣的高速外設(shè)，因此ADC模塊由高速外設(shè)時鐘HSPCLK提供基時鐘。圖8-16給出了從DSP芯片的外部時鐘輸入至ADC模塊的整個時鐘鏈。8.3ADC時鐘預(yù)定標圖8-16輸入至ADC的時鐘鏈周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣工程學院高速外設(shè)時鐘HSPCLK并不是直接用于ADC模塊，而是將高速外設(shè)時鐘HSPCL除以ADCTRL3寄存器的ADCCLKPS3~0位的值，然后通過ADCTRL1寄存器的CPS位提供額外的二分頻（CPS=1時）或不分頻（CPS=0時），就可以得到ADC的內(nèi)核時鐘ADCCLK。另外，可通過控制ADCTRL1寄存器的ACQ_PS3~0位來增大采樣/采集窗口（采樣脈沖的寬度），使ADC適應(yīng)源阻抗的變化。這些位不影響S/H和轉(zhuǎn)換過程，但由于擴展了SOC脈沖，也就延長了采樣部分所用的時間。如圖8-17所示。周鵬安徽工程大學電氣工程學院大學電氣