11、ADC转换单元

第十一讲ADC转换单元1、A/D转换基本原理2、F28335的ADC转换模块3、ADC单元寄存器4、ADC应用“模拟信号无处不在”。在数字世界里，模拟信号只能转换为数字信号来处理，ADC(AnalogtoDigitalConverter)模/数转换器就是模数之间的关键桥梁。F28335的CAP与EQEP处理开关类信号、脉冲类信号，但如电压、电流、温度、压力、湿度、速度、加速度等幅值随着时间连续变化的模拟信号的处理，就必需用到ADC。1ADC转换步骤A/D转换器（ADC）将模拟量转换为数字量通常要经过四个步骤：采样、保持、量化和编码。所谓采样，就是将一个时间上连续变化的模拟量转化为时间上离散变化的模拟量。如图11.1所示。A/D转换基本原理图11.1A/D转换基本原理将采样结果存储起来，直到下次采样，这个过程称作保持。一般，采样器和保持电路一起总称为采样保持电路。将采样电平归化为与之接近的离散数字电平，这个过程称作量化。将量化后的结果按照一定数制形式表示就是编码。将采样电平（模拟值）转换为数字值时，主要有两类方法：直接比较型与间接比较型。直接比较型：就是将输入模拟信号直接与标准的参考电压比较，从而得到数字量。属于这种类型常见的有并行ADC和逐次比较型ADC。间接比较型：输入模拟量不是直接与参考电压比较，而是将二者变为中间的某种物理量再进行比较，然后将比较所得的结果进行数字编码。属于这种类型常见的有双积分型的ADC。采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图11.2所示。图11.2A/D转换基本原理基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Vo，与送入比较器的待转换的模拟量Vx进行比较，若VoVx，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Vo再与Vx比较，若VoVx，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。采用双积分法的A/D转换器由电子开关、积分器、比较器和控制逻辑等部件组成。如图11.3所示。图11.3A/D转换基本原理基本原理是将输入电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，再把此时间间隔转换成数字量，属于间接转换。双积分法A/D转换的过程是：先将开关接通待转换的模拟量Vi，Vi采样输入到积分器，积分器从零开始进行固定时间T的正向积分，时间T到后，开关再接通与Vi极性相反的基准电压VREF，将VREF输入到积分器，进行反向积分，直到输出为0V时停止积分。Vi越大，积分器输出电压越大，反向积分时间也越长。计数器在反向积分时间内所计的数值，就是输入模拟电压Vi所对应的数字量，实现了A/D转换。A/D转换基本原理2、ADC关键技术指标1）分辩率(Resolution)指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2^n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。2）转换速率(ConversionRate)：也可以称为AD采样率，是AD转换一次所需要时间的倒数。单位时间内，完成从模拟转换到数字的次数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(SampleRate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo/MillionSamplesperSecond）。3）量化误差(QuantizingError)由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。A/D转换基本原理4）偏移误差(OffsetError)输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。5）满刻度误差(FullScaleError)满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。6）线性度(Linearity)实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其他指标还有：绝对精度(AbsoluteAccuracy)，相对精度(RelativeAccuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（TotalHarmonicDistotortion缩写THD）和积分非线性。F28335的ADC转换模块F28335片内集成的ADC转换模块的核心资源是一个12位的模/数转换器，12位的精度处于一般水平，能够适合大多数测量需要，若需要用到更高精度的AD，如16位的或者24位的，就需要考虑外扩。AD转换模块的价格是相对比较高的，重要的资源就要充分利用，在电子电路中通常采用的方法就是分时多路复用。同样，在F28335内核中，通过多路复用后有16个模拟转换输入通道，多路复用实际是用时间换资源，16个通道肯定是不能并行转换的，而在AD模块转换的时候，实际采用2个采样保持器，2个采样保持器的结果肯定也不能同时转换，都是分时转换，2个采样保持器复用1个AD转换模块，16个输入通道复用2个采样保持器，尽管只有1个AD模块，但2个采样保持器保证了F28335的ADC转换模块也能够同时采样2个输入通道，同时采样，但并不同步转换，但从最终结果来看就等效为同步转换,对于电力系统中通常需要三相电压实时同步采集，F28335内置AD就不够用了，不得已只能外扩。这16个输入通道，2路采样保持器，如何组合，先后转换顺序如何确定，如何响应触发源？这就由2个8通道排序器（SEQ1、SEQ2）完成。F28335的ADC转换模块这两个排序器可以独立使用，这样就可以两组8通道分别排序，可以同时响应两路触发源，也可以级联使用，这样就是1组16通道分别排序，只能响应1路触发源。AD什么时候开始转换，什么时候结束转换，分别由ADC的触发源以及中断响应程序来控制。AD最终转换结果保存在结果寄存器内。在ADC模块中排序器就好像是整个ADC模块的控制器一样。F28335的ADC转换模块的原理框图如图11.4所示。图11.4F28335的ADC转换模块F28335的ADC模块主要包括以下特点：·12位模数转换；·2个采样保持器(S/H)；·同时或顺序采样；·模拟电压输入范围0~3V；·ADC转换时钟频率最高可配置为25MHz，采样带宽12.5MHZ；·16通道模拟输入；·排序器支持16通道独立循环“自动转换”，每次转换通道可以软件编程选择；·16个结果寄存器存放ADC转换的结果，转换后的数字量表示为：4095x输入模拟值-ADCLO3输入模拟值在0~3之间·多个触发源启动ADC转换(SOC)：·S/W---软件立即启动·外部引脚·ePWMxSOCA启动·ePWMxSOCB启动·灵活的中断控制，允许每个或者每隔一个序列转换结束产生中断请求；·排序器可工作在启动/停止模式；·采样保持(S/H)采集时间窗口有独立的预定标控制；在使用ADC转换模块时，特别要注意的是F28335的AD的输入范围0~3v,若输入负电压或高于3V的电压就会烧坏AD模块，这一点要务必引起重视。超出输入范围的电压可在前级电路，通过电阻分压，或运放比例电路进行处理后，再输入。连接到ADCINxx引脚的模拟输入信号要尽可能的远离数字电路信号线，ADC模块的电源供电要与数字电源隔离开,避免数字电源的高频干扰，ADC的参考源是影响AD精度的一个重要因素，注意ADC参考源的电压纹波处理。F28335的ADC转换模块ADC的排序器操作F28335的ADC转换模块有2个独立的8状态排序器（SEQ1与SEQ2），这两个排序器还可以级联为1个16状态的排序器（SEQ）。这里的状态是指排序器内能够完成的AD自动转换通道的个数。8状态排序器指的是能够完成8个AD转换通道的排序管理。2个排序器可有两种操作方式，分别为单排序器方式（级联为1个16状态排序器，即级联方式）和双排序器方式（2个独立的8状态排序器）。AD转换模块每次收到触发源的开始转换（SOC）请求时，就能够通过排序器自动完成多路转换，将模拟输入信号引入采样保持器与ADC内核。转换完成后,将转换结果存入结果寄存器。两种操作方式的最大差别就在于，单排序操作方式（即级联方式）响应触发源是唯一的，可双排序的方式可以分别响应各自的触发源。单排序操作方式简单，双排序操作方式复杂。两种工作方式都可以进行顺序采样或者同步采样，两种采样方式最大不同的在于，顺序采样相当于是串行模式，同步采样相当于并行模式，能保证信号的同时性，显然同步采样的要求高一些，两个采样保持器，决定了最多能够进行2路同步，这在电气常用控制中，跟PWM控制结合起来，很有用，但超过2路同步，就无能为力，在三相电压、电流同时采样中，这个就不够了，这就需要外扩了。采样的时候，可以多次采样，然后求平均，以获得比单采样方式更精确的结果。见下图11-5图11.5F28335的ADC转换模块级联操作方式启动ADC之前，首先要进行一些初始化的工作。初始化转换的最多通道数（MAX_CONV），这个参数限制了最多有效通道数，对于级联模式，最大为16，在双排序方式下，最大为8，假如输入信号为6，设置值为4，实际只有4个输入有效通道。配置需要的转换输入信号对应的转换次序（CHSELxx），最终的转换结果存放到各自的结果寄存器（RESULT0-RESULT15），结果寄存器不与输入通道完全对应，结果寄存器与转换次序对应。双排序器操作方式当ADC工作在双排序器工作方式下时，2个8状态排序器(SEQ1和SEQ2)是彼此独立的。在这种方式下PWMA触发SEQ1，PWMB触发SEQ2，触发源是独立的。双排序器工作方式可以将ADC看成两个独立的A/D转换单元，每个单元由各自的触发源触发转换。在双排序器连续采样模式下，一旦当前工作的排序器完成排序，任何一个排序器的挂起ADC开始转换都会开始执行。例如，假设当SEQ1产生ADC开始转换请求时，A/D单元正在对SEQ2进行转换，完成SEQ2的转换后会立即启动SEQ1。SEQ1排序器有更高的优先级，如果SEQ1和SEQ2的SOC请求都没有挂起，并且SEQ1和SEQ2同时产生SOC请求，则ADC完成SEQ1的有效排序后，将会立即处理新的SEQ1的转换请求，SEQ2的转换请求处于挂起状态。双排序方式使用了2个排序器，SEQ1/SEQ2能在一次排序过程中对8个任意通道进行排序转换。每次转换结果保存在相应的结果寄存器中，这些寄存器由低地址向高地址一次进行填充。每个排序器中的转换通道个数依然受MAXCONVn控制，最大控制通道数为7，而不是前边的16了。该值在自动排序的转换开始时被载到自动排序状态寄存器（AUTO_SEQ_SR）的排序计数器控制位（SEQCNTR3-0），MAXCONVn的值在0-7范围内变化。当排序器安排内核从CONV00开始按顺序转换时，SEQCNTRn的值从装载值开始向下计数，直到SEQCNTRn等于0。一次自动排序完成的转换数为（MAXCONVn+1）。见图11-6F28335的ADC转换模块图11.6F28335的ADC转换模块排序器的启动/停止模式排序器的启动/停止模式是相对于连续的自动排序模式而言的，任何一个排序器（SEQ1、SEQ2或SEQ）都可以工作在启动/停止模式，这种方式可在不同时间上分别和多个启动触发信号同步。一旦排序器完成了第一个排序（假定排序器在中断服务子程序中未被复位），可允许排序器不需要复位到初始状态CONV00情况下重新触发