TI DSP TMS320F280025 Note14：模数转换器ADC原理分析与应用

TMS320F280025 模数转换器ADC原理分析与应用

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逐次比较型ADC和双积分型ADC工作原理

逐次比较型 ADC

采用逐次逼近法的 AD 转换器是有一个比较器、 DA 转换器、 缓冲寄存器和控制逻辑电路组成， 如下图所示：

基本原理是： 从高位到低位逐次试探比较， 就像用天平秤物体， 从重到轻逐级增减砝码进行试探。 逐次逼近法的转换过程是： 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 DA 转换器， 经 DA转换后生成的模拟量送入比较器， 称为 U0， 与送入比较器的待转换的模拟量 Ux进行比较， 若 U0<Ux， 该位 1 被保留， 否则被清除。 然后再将逐次逼近寄存器次高位置 1， 将寄存器中新的数字量送 DA 转换器， 输出的 U0 再与 Ux 比较， 若 U0<Ux，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。

双积分型 ADC

采用双积分法的 AD 转换器由电子开关、 积分器、 比较器和控制逻辑等部件组成。 如下图所示：

其基本原理： 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 AD 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 AD 转换。

280025ADC

TMS32F280025有两个逐次比较型ADC，分别是ADCA和ADCC，每个ADC都具有以下特点：
•12位分辨率
•比率计VREFHI设定的外部引用和VREFLO引脚
•选择内部参考2.5 v和3.3 v
•单端信号转换
•输入多路复用器，最多16个通道
•16单独结果可寻址寄存器
•16 可配置的soc
•多个触发源
•四灵活的PIE中断
•可配置中断位置
•四个PBB后处理模块，每个具有:
-偏移校准
-误差校准
-高，低和过零比较，具有中断和ePWM跳闸能力
-触发到样本延迟捕获
•优先级：轮转/高优先级
•电压处理成转换结果需要大约10.5个ADCCLK
ADC框图如图所示

1.使用ADC时设置好参考电压，配置ADC SOC通道、采样周期、触发方式；
2.当设置的触发方式触发ADC时，模拟信号首先到ADC校准和控制模块，该模块可以直接产生ADC中断；
3.然后模拟信号到输入电路模块，经过采样保持电路进行采样；
4.采样后经过转化器得到数字量；
5.该数字量会保存在对应的ADC结果寄存器中，每个SOC对应一个结果寄存器，读取该寄存器即可得到ADC转化结果，也可以用过后处理模块进行后处理再输出

ADC原理分析

ADC框图分为以下几个模块：模拟数字控制逻辑、后处理模块、模拟-数字核心模块、基准电压发生器模块、模拟系统控制、输入电路、转换、SOCx (0-15)

ADC时钟

基本ADC时钟直接由系统时钟(SYSCLK)提供。SYSCLK用于生成ADC采集窗口。寄存器ADCCTL2有一个决定adccclk的precale字段。ADCCLK用于对转换器进行时钟控制，仅在转换阶段有效。在所有其他时间，包括在采样和保持窗口期间，ADCCLK信号被门控关闭。
核心需要大约10.5个ADCCLK周期来将电压处理成转换结果。用户必须确定所需的获取窗口的持续时间

为ADCCTL2确定一个合适的值。PRESCALE，请参阅设备数据手册以确定SYSCLK和ADCCLK的最大频率

SOC

SOC在框图中的位置

SOC内部原理

每个ADC的SOC都可以设置对应的触发方式、通道和采样周期

ADC触发方式

每个SOC可以配置为在许多输入触发器之一上启动。SOCx的主要触发器选择在ADCSOCxCTL中。TRIGSEL寄存器，可以选择:
• Disabled (software only)
•CPU定时器0/1/2
•GPIO:输入X-Bar INPUT5
•ADCSOCA或ADCSOCB从每个ePWM模块
此外，每个SOC也可以在ADCINT1或ADCINT2标志设置时触发。这是通过配置ADCINTSOCSEL1寄存器(用于SOC0到SOC7)或ADCINTSOCSEL2寄存器(用于SOC8到SOC15)来实现的。

ADC采集(采样和保持)窗口

外部信号源在快速有效地驱动模拟信号的能力上各不相同。为了达到额定分辨率，信号源需要对ADC核心中的采样电容充电至信号电压的0.5 lbs以内。采集窗口是采样电容器允许充电的时间量，可通过ADCSOCxCTL配置为SOCx.ACQPSregister。
ACQPS是一个9位寄存器，可以设置为0到511之间的值，导致采集窗口持续时间:
采集窗口= (ACQPS + 1)∙(系统时钟(SYSCLK)周期时间)
•采集窗口持续时间基于系统时钟(SYSCLK)，而不是ADC时钟(ADCCLK)。
•选择的采集窗口持续时间必须至少与一个ADCCLK周期一样长。
•数据表指定最小采集窗口持续时间(以纳秒为单位)。用户负责选择满足此要求的获取窗口持续时间。

通道寄生电容

每个通道的寄生电容不一样，所以如果采样速率过高的话，注意选用的通道的寄生电容是否会影响采样

基准电压发生器模块

ADC的基准电压可以位内部电压也可以位外部电压

外部参考模式

ADC模块共享VREFHI和VREFLO输入。在外部参考模式下，这些引脚用作比率参考，以确定ADC转换输入范围。

•在没有外部VREFLO引脚的设备上，VREFLO内部连接到设备模拟地，VSSA。
•请参阅设备数据表以确定VREFHI和VREFLO的允许电压范围。
•外部参考模式需要VREFHI引脚上的外部电容。具体数值请参见设备数据手册。

内部参考模式

在内部参考模式下，器件驱动电压到VREFHI引脚上。然后，VREFHI和VREFLO引脚设置ADC转换范围。
内部参考电压可配置为2.5V或1.65V。当选择1.65V内部参考电压时，在转换前将ADC输入信号内部除以2，有效地使ADC转换范围从VREFLO到3.3V。
内部参考模式还需要VREFHI引脚上的外部电容。具体数值请参见设备数据手册。

选择参考模式

电压参考模式必须通过使用ADC_setVREF()或SetVREF()函数来配置，具体取决于使用的头文件，在C2000Ware中提供。使用这些函数中的任何一个都可以确保在ADC修剪寄存器中加载正确的修剪。此函数必须在设备复位后至少调用一次。
不要通过直接写入ANAREFCTL寄存器来配置电压参考模式。

后处理模块

作用如下：

偏移校正

去除可能由外部传感器和信号源引起的与ADCIN通道相关的偏移量零开销;保存周期

设定值计算误差

减去一个参考值，该参考值可用于从设定点或预期值自动计算误差，减少样本输出延迟和软件开销

限制和过零检测

自动执行高/低限制或过零检查，可以产生一个行程到ePWM和/或中断减少样本到ePWM的延迟和减少软件开销;在没有CPU干预的情况下，基于超出范围的ADC转换触发ePWM

触发到采样延迟捕获

能够记录SOC被触发和开始采样之间的延迟，允许软件技术减少延迟错误

ADC优先级

轮转优先级

当同时设置多个SOC标志时，优先级的两种形式之一决定转换顺序。默认的优先级方法是轮循。在这个方案中，没有SOC具有比其他SOC更高的固有优先级。优先级取决于轮循指针(RRPOINTER)。反映在ADCSOCPRIORITYCTL寄存器中的RRPOINTER指向最后转换的SOC。最高优先级的SOC被分配给下一个比RRPOINTER值大的值，在SOC15之后绕回SOC0。在重置时，该值为16，因为0表示已经发生了转换。当RRPOINTER等于16时，优先级最高的是SOC0。当ADC模块复位或复位值被写入SOCPRICTL寄存器时，RRPOINTER复位。通过写入和清除与ADC实例对应的SOFTPRES位来复位ADC模块。

高优先级

ADCSOCPRIORITYCTL寄存器中的SOCPRIORITY字段可用于从单个soc分配高优先级到所有soc。当配置为高优先级时，SOC在任何当前转换完成后中断轮询轮，并插入作为下一个转换。转换完成后，在转换中断的地方继续轮询轮。如果同时触发两个高优先级的SOC，则优先级低的SOC。
高优先级模式首先分配给SOC0，然后按数字顺序递增。写入SOCPRIORITY字段的值定义了第一个优先级不高的SOC。换句话说，如果将值4写入SOCPRIORITY，则将SOC0、SOC1、SOC2和SOC3定义为高优先级，其中SOC0最高。

ADC中断

每个SOC都有相应的转换结束(EOC)信号。此EOC信号可用于触发ADC中断。ADC可以配置为在采集窗口的末端或电压转换的末端产生EOC脉冲。这是使用ADCCTL1寄存器中的INTPULSEPOS位配置的。参见15.12节了解EOC脉冲的准确位置。
每个ADC模块有4个可配置的ADC中断。这些中断可以由16个EOC信号中的任何一个触发。可以直接读取每个ADCINT的标志位，以确定相关的SOC是否完成，或者中断是否可以传递给PIE
ADCCTL1.ADCBSY位清楚并不表示一组soc中的所有转换都已完成，仅表示ADC准备处理下一个转换。要确定一个SOC序列是否完成，将ADCINT标志链接到序列中的最后一个SOC，并监视该ADCINT标志

中断溢出

如果EOC信号在ADCINTFLG寄存器中设置了一个标志，但该标志已经设置，则会发生中断溢出。
默认情况下，溢出中断不传递给PIE模块。当ADCINTFLG寄存器中的给定标志发生溢出时，将设置ADCINOVF寄存器中的相应标志。此溢出标志仅用于检测是否发生溢出;该标志不会阻止进一步的中断传播到PIE模块。
当ADC中断溢出发生时，应用程序必须检查ISR内或后台循环中适当的ADCINTOVF标志，并在检测到溢出时采取适当的行动。下面的代码片段演示了在尝试清除ADCINT标志后，如何在ISR内检查ADCINTOVF标志。

// Clear the interrupt flag
AdcaRegs.ADCINTFLGCLR.bit.ADCINT1 = 1; //clear INT1 flag for ADC-A
// Check if an overflow has occurred
if(1 == AdcaRegs.ADCINTOVF.bit.ADCINT1) //ADCINT overflow occurred
{
   
 AdcaRegs.ADCINTOVFCLR.bit.ADCINT1 = 1 //Clear overflow flag 
 AdcaRegs.ADCINTFLGCLR.bit.ADCINT1 = 1 //Re-clear ADCINT flag
}

//
// Clear the interrupt flag
//
ADC_clearInterruptStatus(ADCA_BASE, ADC_INT_NUMBER1);
//
// Check if an overflow has occurred
//
if(true == ADC_getInterruptOverflowStatus(ADCA_BASE, ADC_INT_NUMBER1))
{
   
 ADC_clearInterruptOverflowStatus(ADCA_BASE, ADC_INT_NUMBER1);
 ADC_clearInterruptStatus(ADCA_BASE, ADC_INT_NUMBER1);
}

继续中断模式

ADCINTSEL1N2和ADCINTSEL3N4寄存器中的INTxCONT位配置了当ADCINTFLG尚未从先前中断中清除时如何处理中断。默认情况下禁用此模式，并且不会向PIE发出额外的重叠中断。通过激活此模式，ADC中断总是到达PIE。如果在设置ADCINTFLG时发生中断，那么无论INTxCONT位的配置如何，ADCINTOVF寄存器都保持设置。

早期中断配置模式

启用早期中断模式可以允许应用程序在ADC结果准备好之前进入ADC中断服务程序。这允许应用程序做任何必要的前期工作，以便应用程序可以在ADC结果可用时立即对ADC结果采取行动。如果早期中断的时机太早，则应用程序需要浪费时间，直到更新的ADC结果可用为止。为了防止这种情况，ADC中断进入早期中断模式的时间可以通过ADCINTCYCLE寄存器中的DELAY字段进行配置。
•要使用可配置的中断时间，ADC必须处于早期中断模式。为了实现这一点，在ADCCTL1中将位INTPULSEPOS清除为0。
•ADCINTCYCLE寄存器中的DELAY值设置了在ADCINT标志被设置之前SOC脉冲下降沿之后额外的SYSCLK周期数。
•如果DELAY值超过EOC，则ADC中断与EOC一起产生。
•当INTPULSEPOS设置为1时，将值写入DELAY对中断的产生没有任何影响。

ADC模拟引脚

ADC引脚分配如下表

ADC（定时器触发采样）使用

AdcDriver.c

#include "main.h"

//
// Defines
//
#define RESULTS_BUFFER_SIZE     5

//
// Globals
//