3.7 模数转换器(ADC) 芯片资料

1、MSP430 系列单片机 教材,3.7 模数转换器（Analog-to-Digital Converter）,本节内容,介绍ADC工作原理 介绍MSP430 ADC模块的工作原理,ADC工作原理,模数转换器(ADC) Analog-to-Digital Converter 模拟量-数字量的一种电子器件或电路 模数转换器（ADC）从信号系统中采集信号电压，经过信号处理之后，将其转换为等效的数字量,基本过程（1/6）,模数转换电路的作用是将输入连续变化的模拟信号变换为与其成正比的数字量信号输出。 在进行模数(即AD)转换时，通常按取样、保持、量化、编码四个步骤进行。,基本过程（2/6）,1、取样:

2、 所谓取样，就是对模拟信号Ui(t) 进行周期性抽取样值的过程。,采样脉冲,输入模拟信号,采样输出信号,取样开关,Ui(t),Us(t),S(t),基本过程(3/6),2、保持 模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。,基本过程(4/6),在采样脉冲S(t)到来的时间内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于，则有：UO(t)US(t)UI(t)。采样,采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。保持

3、,场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。,取样保持电路,输出波形,基本过程(5/6),4、量化 用数字信号的最低位1 (LSB)所对应的模拟电压作为量化单位，用表示，将样值电压变换为量化单位()电压整数倍的过程。,取样保持后所得阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n位数字量只能表示2n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。,5、编码 量化后的离散量用相应的二进制码表示，称作编码。,基本过程(6/6),数字量计算方法 ADC内核一般要使用两个参考电压VR+ 和VR-，一般这两个电压可以是用户接入或者是使用内部参考电

4、压。 VR+ 是定义的转换最大值， VR-则是转换的最小值。 以12位分辨率为例。 Vin =VR+ ADC12_A输出满量程值0 x0FFF； Vin =VR- ADC12_A输出0； VR-VinVR+ ADC12_A的转换结果满足如下公式： NADC = 4095 * (Vin- VR-)/(VR+ - VR-),主要性能指标(1/3),分辨率 R : 可以转换成数字量的模拟电压量的最小值 最低有效位（LSB），即分辨率单位： 分辨率只是规定了数字量输出的位数，而不是ADC的性能； MSP430系列大部分芯片中，都提供了一个高精度ADC： 斜率 ADC； 10，12或14位 ADC； 1

5、6位Sigma-Delta（-）型 ADC。,主要性能指标(2/3),转换精度 表示模拟电压实际值与其对应数字量的相对 误差。 可以表达为“真实度”。,主要性能指标(3/3),转换时间： 指ADC模块完成一次模拟数字转换所需要的时间，转换时间越短越能适应输入信号的变化。转换时间与ADC模块的结构和位数有关。,ADC的类型(1/8),模数转换器(ADC)类别： 逐次逼近型（SAR）； Sigma Delta型 (SD 或 -); 斜率或双斜率型 (Slope 或 Dual Slope); 管道型 (Pipeline); 闪存型 (Flash) .,ADC的类型(2/8),1、逐次逼近型(SAR)

6、 逐次逼近型ADC是应用最为广泛 它由比较器、D/A转换器、比较寄存器SAR、时钟发生器以及控制逻辑电路组成，将采样输入信号与已知电压不断进行比较，然后转换成二进制数。,ADC的类型(3/8),1、逐次逼近型(SAR)-工作原理： 首先将DAC的最高有效位MSB保存到SAR； 接着将该值对应的电压与输入电压进行比较。比较器输出被反馈到DAC，并在一次比较前对其进行修正； 在逻辑控制电路和时钟驱动下，SAR不断进行比较和移位操作，直到完成LSB的转换。 此时所产生的 DAC输出逼近输入电压的1/2LSB。当每一位都确定后，转换结果被锁存到SAR并作为ADC输出。,ADC的类型(4/8),1、逐次

7、逼近型(SAR)优缺点： 优点： 高速，采样速率可达 1MSPS； 与其它ADC相比，功耗相当低； 在分辨率低于12位时，价格较低。 缺点： 在高于14位分辨率情况下，价格较高； 传感器产生的信号在进行模/数转换之前需要进行调理，包括增益级和滤波，这样会明显增加成本。,ADC的类型(5/8),2、并行比较型 并行比较ADC是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”ADC。 由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。 ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。,ADC的类型(6/8),2、并行比较型优缺点 优点

8、： 模/数转换速度最高； 缺点： 分辨率不高，功耗大，成本高。 随着分辨率的提高，需要高密度的模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加一位，精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加一倍。,ADC的类型(7/8),3、积分型ADC 积分型ADC又称为双斜率或多斜率ADC，应用较为广泛。 基本原理： 通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔。 在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现A/D转换。,ADC的类型(8/8),3、积分型ADC优缺点 积分型ADC这类ADC主要应用于低速、精密测量等领域，如数字电压表。 优点： 分辨率高，

9、可达22位； 功耗低、成本低。 缺点： 转换速率低，转换速率在12位时为100300SPS。,ADC12_A简介(1/2),MSP430F6638的ADC12_A模块支持快速12位模数转换; 该模块包含: 12位SAR核; 采样选择控制; 参考电流发生器.,ADC12_A简介(1/2),MSP430F6638的ADC12_A模块支持快速12位模数转换; 该模块包含: 12位SAR核; 采样选择控制; 参考电流发生器.,ADC12_A框图,ADC12_A 框图:,采样通道,采样保持,采样时钟周期,触发信号,转换数据,时钟源,参考电压,ADC12_A特征,大于200 ksps的最大转换速率 无失码

10、的12位单调转换器 软件或定时器控制的可编程采样保持周期 通过软件或定时器控制转换开始 软件可选择的片上参考电压生成器（MSP430F54xx：1.5 V或2.5 V，其他设备：1.5 V，2.0 V，2.5 V） 软件选择的内部或外部参考 多达12个可单独配置的外部输入通道 内部温度传感器的转换通道，AVCC，和外部参考 独立的信道选择的正负电压参考源（仅限MSP430F54xx系列） 可选择的转换时钟源 单通道，重复单通道，序列（自动扫描），重复序列（重复自动扫描）转换模式 ADC内核和参考电压可单独实现掉电 快速解码的18位ADC中断的中断向量寄存器 16个转换结果存储寄存器,ADC12

11、_A内核,12位ADC 核(使能位为ADC12_AON位): 将模拟输入转化为12位数字表示; 在ADC12_AMEMx寄存器中存储结果. 转换结果的上限和下限: VR+ ; VR- 数码输出(NADC) 结果: 最大值: NADC = 0FFFh, 输入信号 VR+; 零: NADC = 0000h, 输入信号 VR-. 转换结果: 二进制形式: 补码形式.,ADC12_A采样和转换时序(1/3),数模转换由SHI的上升沿启动. SHI (SHSx位选择) 的来源可以是: ADC12_ASC 位 Timer_A 输出单元1 Timer_B 输出单元0 Timer_B 输出单元1,ADC12_

12、A采样和转换时序(2/3),采样时序方式: SHP = 0: 扩展采样模式: SHI 信号直接控制 SAMPCON; 定义采样周期tsample的长度; SAMPCON = 1 采样处于活动状态; 高到低SAMPCON 转变 与ADC12_ACLK同步后开始转换.,ADC12_A采样和转换时序 (3/3),采样时序方式: SHP = 1: 脉冲模式: SHI 信号触发采样定时器; SHT0 x 和 SHT1x 位 (ADC12_ACTL0) 定义SAMPCON采样周期, tsample; 与 AD12CLK 同步后，采样定时器保持 SAMPCON = 1.,ADC12_A转换存储,16 个AD

13、C12_AMEMx 转换存储寄存器(由相关的ADC12_AMCTLx控制寄存器配置)存储转换结果. 非连续转换(单一或重复单一通道): ADC12_ACSTARTADDx 定义转换的第一个和单个的ADC12_AMCTLx. 连续转换(序列或重复序列通道): 序列从ADC12_AMCTLx 寄存器中的值开始，该值由 ADC12_ACSTARTADDx指定; 指针自动递增到下一个ADC12_AMCTLx，从而开启下一次转换; ADC12_AMCTL15 之后的转换是 ADC12_AMCTL0; 序列保持运行直至EOS 位信号出现,此信号是实际运行序列的最后一次转换; 16个 ADC12_AMCTL

14、x 寄存器可以包含多个序列.,ADC12_A中断,ADC12_A 包含 18 个中断源: ADC12_AIFG0-ADC12_AIFG15: 当ADC12_AMEMx存储寄存器加载转化结果时，其对应的ADC12_AIFGx位将会置位; ADC12_AOV, ADC12_AMEMx 溢出位:在上一个转换结果未被读取之前，向任意一个ADC12_AMEMx写入新的转换结果时，ADC12_AOV位将会置位; ADC12_ATOV, ADC12_A 转换时间溢出位:当前转换未完成就请求另一个采样和转换时，ADC12_ATOV位将会置位. 在单通道模式的转换 ,或序列通道模式完成后，可以触发DMA传输,A

15、DC12_A中断向量发生器,中断向量寄存器ADC12_AIV 用来确定是哪个ADC12_A 中断源发出了中断请求. 注意事项: 最高优先级的中断将其中断向量号存储到ADC12_AIV寄存器(计算或添加到程序计数器以自动调用正确的响应程序); 任何对ADC12_AIV寄存器的访问、读或写操作，都将自动重新设置ADC12_AOV 或ADC12_ATOV的置位条件，如果二者之一是最高优先级挂起中断; ADC12_AIFGx 位可通过访问其对应的ADC12_AMEMx寄存器而被自动重置，或者可由软件重置; 如果在一个中断服务完成后有另一个中断挂起了，那么将产生另一个中断.,ADC12_A寄存器 (1/

16、7),ADC12_ACTL0, ADC12_A 控制寄存器0 (高字节),ADC12_ASHT1x-采样保持定时器1-ADC12_AMEM8ADC12_AMEM15 采样时钟周期（n * ADC12_ACLK） ADC12_ASHT0 x-采样保持定时器0-ADC12_AMEM0ADC12_AMEM7 采样时钟周期（n * ADC12_ACLK）,ADC12_A寄存器 (2/7),ADC12_ACTL0, ADC12_A 控制寄存器0 (低字节),ADC12_A寄存器 (2/7),ADC12_ACTL0, ADC12_A 控制寄存器0 (低字节),ADC12_A寄存器 (2/7),ADC12_

17、ACTL0, ADC12_A 控制寄存器0 (低字节),ADC12_A寄存器 (2/7),ADC12_ACTL0, ADC12_A 控制寄存器0 (低字节),ADC12_A寄存器 (2/7),ADC12_ACTL0, ADC12_A 控制寄存器0 (低字节),ADC12_A寄存器 (2/7),ADC12_ACTL0, ADC12_A 控制寄存器0 (低字节),ADC12_A寄存器 (3/7),ADC12_ACTL1, ADC12_A 控制寄存器1,ADC12_A寄存器 (3/7),ADC12_ACTL1, ADC12_A 控制寄存器1,ADC12_ACTL1, ADC12_A 控制寄存器1,A

18、DC12_A寄存器 (3/7),ADC12_A寄存器 (3/7),ADC12_ACTL1, ADC12_A 控制寄存器1,ADC12_A寄存器(3/7),ADC12_ACTL1, ADC12_A 控制寄存器1,ADC12_A寄存器 (3/7),ADC12_ACTL1, ADC12_A 控制寄存器1,ADC12_A寄存器 (3/7),ADC12_ACTL1, ADC12_A 控制寄存器1,ADC12_A寄存器 (3/7),ADC12_ACTL1, ADC12_A 控制寄存器1,ADC12_A寄存器 (4/7),ADC12_ACTL2, ADC12_A 控制寄存器2,ADC12_A寄存器 (4/7

19、),ADC12_ACTL2, ADC12_A 控制寄存器2,ADC12_A寄存器 (4/7),ADC12_ACTL2, ADC12_A 控制寄存器2,ADC12_A寄存器 (4/7),ADC12_ACTL2, ADC12_A 控制寄存器2,ADC12_A寄存器 (4/7),ADC12_ACTL2, ADC12_A 控制寄存器2,ADC12_A寄存器 (4/7),ADC12_ACTL2, ADC12_A 控制寄存器2,ADC12_A寄存器 (5/7),转换存储寄存器：ADC12_AMEM0ADC12_AMEM15 12位转换结果左对齐，2进制补码格式。 15是MSB位，12位模式下3-0位为0，

20、在10位模式下5-0位为0，8位模式下的7-0位是0。ADC12_ADF=1时使用这种数据格式。数据存储时右对齐格式，在读回时转换为左对齐2补码格式。,ADC12_A寄存器 (6/7),ADC12_AMCTLx 转换存储器控制寄存器ADC12_AMCTL0ADC12_AMCTL15,ADC12_A寄存器 (6/7),ADC12_AMCTLx 转换存储器控制寄存器ADC12_AMCTL0ADC12_AMCTL15,ADC12_A寄存器 (6/7),ADC12_AMCTLx 转换存储器控制寄存器ADC12_AMCTL0ADC12_AMCTL15,ADC12_A寄存器 (7/7),ADC12_AIE

21、, ADC12_A中断使能寄存器 该16位寄存器开启(ADC12_AIEx = 1)或关闭 (ADC12_AIEx = 0)ADC12_AIFGx位的中断请求. ADC12_AIFG, ADC12_A中断标志寄存器 当把转换结果加载到寄存器ADC12_AMEMx时，置位该16位寄存器的相应位，当软件访问寄存器ADC12_AMEMx时，复位该寄存器的相应位. ADC12_AIVx 中断向量寄存器 ADC12_A是一个多源中断：有18个中断标志（ADC12_AIFG0 ADC12_AIFG15与ADC12_ATOV，ADC12_AOV），但只有一个中断向量。所以需要设置这18个标志的优先级顺序，按

22、照优先级来安排中断标志的响应，高优先级的请求可以可以中断正在服务的低优先级。,ADC12_A框图,ADC12_A 框图:,ADC12_A_CYCLEHOLD_x_CYCLES,ADC12_A_SAMPLEHOLDSOURCE_x,ADC12_A_SINGLECHANNEL,ADC12_A_CLOCKSOURCE_x,ADC12_A_memoryConfigure( ),ADC12_A_INPUT_x,ADC12_A_init（）,ADC12_A_VREFPOS_x,ADC12_A_VREFNEG_x,ADC12_A_startConversion（）,ADC12_A库函数,ADC12_A_in

23、it(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, ,采样保持和转换信号 ADC12_A_SAMPLEHOLDSOURCE_SC Default ADC12_ASC ADC12_A_SAMPLEHOLDSOURCE_1 TimerA.OUT1 ADC12_A_SAMPLEHOLDSOURCE_2 TimerB.OUT0 ADC12_A_SAMPLEHOLDSOURCE_3 TimerB.OUT1,时钟源 ADC12_A_CLOCKSOURCE_ADC12_AOSC Default MODOSC， 5 MHz晶振 ADC12_A_CLOCKSOURCE_ACLK 辅时钟

24、ADC12_A_CLOCKSOURCE_MCLK 主时钟 ADC12_A_CLOCKSOURCE_SMCLK 子时钟,时钟分频 ADC12_A_CLOCKDIVIDER_1 Default 1倍分频 ADC12_A_CLOCKDIVIDER_2 2倍分频 3,4,5,6,7,8,12,16,20,24,28 ADC12_A_CLOCKDIVIDER_1 32倍分频,ADC12_A库函数,ADC12_A_enable(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_); /使能ADC12_A,时钟源 ADC12_A_MULTIPLESAMPLESDISABLE 不允许多次采样

25、ADC12_A_MULTIPLESAMPLESENABLE 允许多次采样,采样保持时钟周期（ADC12_AMEM0ADC12_AMEM7） ADC12_A_CYCLEHOLD_4_CYCLES Default 4倍时钟周期 ADC12_A_CYCLEHOLD_8_CYCLES 8倍时钟周期 16,32,64,96,128,192,256,384,512,768 ADC12_A_CYCLEHOLD_1024_CYCLES 1024倍时钟周期,ADC12_A_setupSamplingTimer(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, ,采样保持时钟周期（ADC12_

26、AMEM8ADC12_AMEM15）（同上） ,ADC12_A库函数,选择存储器 ADC12_A_MEMORY_0 Default ADC12_AMEM0 ADC12_A_MEMORY_1 ADC12_AMEM1 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14 ADC12_A_MEMORY_15 ADC12_AMEM15,ADC12_A_memoryConfigure(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, ,选择采样通道 ADC12_A_INPUT_A0 Default A0 ADC12_A_INPUT_A1 A1 A2,A3,A4,A5,A6,A

27、7,A8,A9, TEMPSENSOR, BATTERYMONITOR,A12,A13,A14 ADC12_A_INPUT_A15 A15,ADC12_A库函数,正参考电压 ADC12_A_VREFPOS_AVCC Default AVCC ADC12_A_VREFPOS_EXT 外部参考电压 ADC12_A_VREFPOS_INT 内部参考电压,ADC12_A_memoryConfigure(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, ,负参考电压 ADC12_A_VREFNEG_AVSS Default AVSS ADC12_A_VREFNEG_EXT 外部参考电

28、压,序列结束 ADC12_A_NOTENDOFSEQUENCE 序列未结束 ADC12_A_ENDOFSEQUENCE 序列结束,ADC12_A库函数,存储寄存器 ADC12_A_MEMORY_0 Default ADC12_AMEM0 ,ADC12_A_startConversion(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, ,采样转换模式 ADC12_A_SINGLECHANNEL Default 单通道单次转换模式 ADC12_A_SEQOFCHANNELS 序列通道单次转换模式 ADC12_A_REPEATED_SINGLECHANNEL 单通道多次转换模式

29、 ADC12_A_REPEATED_SEQOFCHANNELS 序列通道多次转换模式,ADC12_A_enableInterrupt(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, ,存储寄存器 ADC12_A_MEMORY_0 Default ADC12_AMEM0 ,实验：ADC12_A信号采集,概述: 本实验研究ADC12_A 和 OA 模块 测试电压由DAC12 的通道 0产生, 存放在DAC12_ODAT寄存器; 模拟信号受限于OA 模块(振幅的变化)，配置为同相PGA; 转化ADC12_A的输入信号. 比较DAC12_ODAT 和ADC12_AMEM0 的值.

30、,实验：ADC12_A信号采集,A. 资源: DAC12 模块使用与ADC12_A 模块相同的内部参考电压 (VREF+ = 2.5 V); 配置OA 模块为带有整体增益的同相PGA; 同相输入是内部的DAC0 ，输出连接到ADC12_A的内部/外部A1; 设置ADC12_A的采样和保持时间为 64个ADC12_ACLK周期; 执行单通道单转换，使用ADC12_AOSC/1作为时钟源.,实验：ADC12_A信号采集,B. 软件结构(1/4): 实验安排如下: 外设初始化完成后，MSP430进入LPM3模式; 中断服务程序阶段由Timer_A 溢出中断服务程序构成，它将触发一次新ADC12_A转

31、换直至转换结束.,实验：ADC12_A信号采集,B.软件结构(2/4): 系统启动时关闭看门狗定时器; 系统时钟由FLL+配置为4 MHz (128x32768 Hz); 配置DAC12模块产生零输出电压(0V); 使用ADC12_A 内部2.5 V参考电压; 配置DAC12 输出为12位二进制格式.,实验：ADC12_A信号采集,B.软件结构(3/4): DAC12采用中等速度/电流满量程输出; 配置OA 模块为一个同相PGA，带有输入信号(DAC0内部)和轨到轨范围; OA的输出连接到内部/外部A1; 配置ADC12_A 为执行单通道 (通道A1)单转换; 配置包括激活与DAC12相同的内

32、部参考电压.,实验：ADC12_A信号采集,B.软件结构(4/4): ADC12_A 的时钟源是ADC12_AOSC，采样和保持时间设置为64个ADC12_ACLK周期; 配置Timer_A 使用ACLK作为时钟源; 在连续模式下计数(TACCR0 记数到0FFFFh) 并产生一个中断以更新ADC12_AMEM; 中断服务结束后MSP430 进入LPM3模式.,实验：ADC12_A信号采集,C. 系统配置: ADC12_A 配置: 配置ADC12_A模块使其具有以下特点: 单通道单转换操作; 内部信号参考电压VREF+ (2.5 V); 采样和保持时间: 64个ADC12_ACLK周期; 转换

33、结果存储在ADC12_AMEM0; 采样和保持时钟源：软件定义.,实验：ADC12_A信号采集,ADC12_A 配置（寄存器）: ADC12_ACTL0 |= ADC12_ASHT0_8|REF2_5V|REFON|ADC12_AON; /采样保持周期64 ADC12_ACLK /参考电压2.5 V /打开参考电压 /打开ADC12_A ADC12_ACTL0 |=ADC12_AENC|ADC12_ASC /ADC12_A使能 /开始转换,实验：ADC12_A信号采集,ADC12_A 配置（寄存器）: ADC12_ACTL1 = ADC12_ASSEL_0|ADC12_ASHP| ADC12_

34、ACONSEQ_0; /使用采样定时器 /默认时钟源 ADC12_AOSC /单通道单次采样 ADC12_AMCTL0 = ADC12_AINCH_1 | ADC12_ASREF_1; /采样通道A1 / Vr+=Vref+，Vr-=AVss,实验：ADC12_A信号采集,ADC12_A 配置（寄存器）: ADC12_A_init(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, ADC12_A_SAMPLEHOLDSOURCE_SC, /ADC12_A_SC为转换信号 ADC12_A_CLOCKSOURCE_ADC12_AOSC, /内部时钟源 ADC12_A_CLOCK

35、DIVIDER_1); /1倍分频 ADC12_A_setupSamplingTimer(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, ADC12_A_CYCLEHOLD_64_CYCLES, /缓存器0-7 采样/保持周期为64时钟周期 ADC12_A_CYCLEHOLD_4_CYCLES, /缓存器8-15 采样/保持周期为4时钟周期(默认) ADC12_A_MULTIPLESAMPLESDISABLE); /禁止多重采样,实验：ADC12_A信号采集,ADC12_A 配置（寄存器）: ADC12_A_memoryConfigure(_MSP430_BASEADDR

36、ESS_ADC12_A_PLUS_, ADC12_A_MEMORY_1, ADC12_A_INPUT_A1,/采样通道1 ADC12_A_VREFPOS_INT,/内部参考电压 ADC12_A_VREFNEG_AVSS, ADC12_A_NOTENDOFSEQUENCE);/缓存器0不是序列结束 ADC12_A_startConversion(_MSP430_BASEADDRESS_ADC12_A_PLUS_, / 使能启动转换 ADC12_A_MEMORY_0, ADC12_A_SINGLECHANNEL);/使用单通道单次转换模式,实验：ADC12_A信号采集,DAC12 配置: DAC12_0DAT = 0 x00; / DAC_0 输出0V DAC12_0CTL = DAC12IR | DAC12AMP_5 | DAC12ENC; / DAC_0 - P6.6, DAC_1 - P6.7 / DAC 参考电压Vref, 12 位 / 立即