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基于C8051F060內(nèi)置高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用方法

作者: 時間:2011-08-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言

在混合信號單片機中,美國Cygnal公司新推出的C8051F06X系列高集成度混合信號單片機可謂一枝獨秀。C8051F06X是高度集成的片上系統(tǒng)單片機,它有多達59個數(shù)字I/O口,采用與8051兼容的內(nèi)核CIP-51,速度高達25MI/s。該系列單片機有/2型和C8051F061/3型,與同家族的其他單片機相比,其模擬外設(shè)性能優(yōu)異,除有一個帶可編程放大器和多路選擇器的8路10位ADC外,還有兩路采樣速度可達1 MS/s的16位ADC,兩路12位DAC,3個電壓比較器,1個片內(nèi)溫度傳感器和參考電壓源等。本文僅以型為例,著重介紹其高速、高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用方法。

2 高精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口由2路16位逐次逼近式ADC、集成采樣保持器、一個可編程窗口檢測器、一個DMA接口組成。ADC0/ADC1可配置成單端或差分輸入方式。模/數(shù)轉(zhuǎn)換的工作方式,窗口檢測器和DMA接口均可通過特殊功能寄存器由軟件控制,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器及其采樣保持電路也可通過特殊功能寄存器單獨設(shè)置,如圖1所示。顯然,轉(zhuǎn)換啟動方式靈活,軟件事件、外部硬件信號和周期性的定時溢出都能用作觸發(fā)信號,轉(zhuǎn)換結(jié)束后,16位的結(jié)果鎖存在SFR中,可由DMA接口將其存入片內(nèi)或片外RAM。

2.1 單端/差分輸入方式

ADCO和ADC1既可編程為單端輸入方式獨立工作,也可以設(shè)置為互相配合接收差分輸入信號。采用單端輸入方式時,ADC可配置為同步采樣,或采用不同的轉(zhuǎn)換速度。采用差分輸入時,ADC1服從于ADC0,除零點和增益校準(zhǔn)外,它的配置均基于ADC0。通道選擇寄存器AMXOSL的DIFFSEL位用于選擇單端和差分輸入方式。差分輸入時,輸入到ADC的是一個偽差分信號,每個ADC的實際測量電壓等于引腳AIN和引腳AINDG之間的電壓。AINDG必須在-0.2V~0.6V之間,在大多數(shù)系統(tǒng)中,AINDG接到AGND,否則,AINDG信號會產(chǎn)生一個微小的負(fù)向偏置,建議用內(nèi)部的校準(zhǔn)功能解決。AINOG和AIN1G要可靠連接在一起,為了得到精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果,在兩種方式下,AINn電位均應(yīng)高于AINnG。

基于C8051F060內(nèi)置高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用方法


2.2 參考電壓

ADC0和ADC1可以配置不同的參考電壓電路,既可以使用片內(nèi)精密參考電壓源,也可以使用片外參考電壓源。片內(nèi)參考電壓源電路由一個獨立的溫度穩(wěn)定式帶隙參考電壓發(fā)生器產(chǎn)生1.25 V電壓,再由一個緩沖放大器將其放大2倍,其最大負(fù)載電流不能大于100μA,建議在VREF端和VRGND端外接0.1μF和47 μF的旁路電容器。每個參考電壓電路可由參考電壓控制寄存器(REFnCN)分別控制,其中,BIASEn位控制參考電壓發(fā)生器的使能,REFBEn位控制乘2緩沖器的使能。當(dāng)禁止時,內(nèi)部參考電壓電路的耗電量為1μA,緩沖放大器呈高阻抗?fàn)顟B(tài);當(dāng)使用內(nèi)部參考電壓源時,這兩個控制位均須置l;當(dāng)使用外部參考電壓源時,控制位REFBEn應(yīng)置0。應(yīng)該注意,不論使用何種參考電壓源,當(dāng)使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器時,BIASEn位必須置1,不使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器時,BIASEn位置0,以有利于降低能耗。

2.3 工作方式

ADC0和ADC1的最大轉(zhuǎn)換速度為1 MS/s,轉(zhuǎn)換時鐘由系統(tǒng)時鐘分頻產(chǎn)生,并由ADCnCF型寄存器的ADCnSC位設(shè)定。

2.3.1 轉(zhuǎn)換啟動方式

對于ADC0,模/數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動方法有4種,由ADC0CN型寄存器中的轉(zhuǎn)換啟動方式位AD0CMl/AD0CM0決定,這4種方式分別是給ADC0CN的AD0BUSY位寫1;定時器2的溢出;定時器3的溢出;檢測到外部ADC轉(zhuǎn)換啟動信號CNVSTR0的上跳沿。對于ADC1,模/數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動方法有5種,由寄存器ADC1CN中的轉(zhuǎn)換啟動方式位AdlCM12-AD1CM0決定,這5種方式分別是給ADC1CN的AD1BUSY位寫l;定時器2的溢出;定時器3的溢出;檢測到外部ADC轉(zhuǎn)換啟動信號CNVSTR的上跳沿;給ADC0CN的AD0BUSY位寫1。

在模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程中,ADnBUSY位被置1,轉(zhuǎn)換結(jié)束后,該位被清零,如果允許中斷,ADnBUSY信號的下降沿將觸發(fā)中斷,并置位ADnINT的中斷標(biāo)志位ADCnON.5。在單端方式,模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)據(jù)存放在ADCnH和ADCnL中;在差分方式,模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)據(jù)是ADC0與ADC1之和,存放在ADC0H和ADC0L中。當(dāng)用給ADC0CN的AD0BUSY位寫1的方法啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換時,應(yīng)該查詢ADnINT位,以便確定模/數(shù)轉(zhuǎn)換何時完成,建議查詢步驟為給ADnINT寫0;給ADnBUSY寫1;查詢ADnINT位是否為l;處理ADC數(shù)據(jù),當(dāng)在差分方式且以外部信號啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換時,應(yīng)將引腳CNVSTR0和引腳CNVSTR1連接起來。

2.3.2 采樣保持方式

模/數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣保持方式由ADCnCN型寄存器的ADCnTM位控制,一旦ADCn被啟動,其輸入將被連續(xù)采樣,而這時轉(zhuǎn)換尚未開始,當(dāng)AdnTM位為1,轉(zhuǎn)換開始進行,一個采樣周期由18個SAR時鐘組成。當(dāng)用CNVSTRn信號啟動轉(zhuǎn)換時,ADC一直采樣,直到引腳CNVSTRn上出現(xiàn)一個上跳沿為止。將AdnTM位置為1,就能保證在模擬輸入端接外部多路選擇器時,滿足必要的建立時間。

2.3.3 建立時間

如果ADC的輸入為高速快變信號,如外部多路選擇器的切換或其他跳變信號,則在進行轉(zhuǎn)換之前需要一個最小跟隨時間,這個時間取決于ADC的輸入電阻,采樣電容,外部等效電阻及所期望的轉(zhuǎn)換精度,等效時間常數(shù)對單端輸入和差分輸入都是一樣的,給定精度所需要的建立時間可由下式來估算:


基于C8051F060內(nèi)置高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用方法

其中A為所需精度,取LSB的小數(shù)部分;t為所需的建立時間(秒);n為ADC的位數(shù)
(16);RT為ADC的輸入電阻和外部等效電阻的總和;Cs為采樣電容。

2.4 校準(zhǔn)

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在生產(chǎn)廠已經(jīng)通過非線性、零點偏移和增益誤差校準(zhǔn),但也能在系統(tǒng)中單獨對ADC0和ADC1的這些參數(shù)分別進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是通過ADC0型和ADC1型配置寄存器的相應(yīng)位來進行的,校準(zhǔn)參數(shù)可用ADC校準(zhǔn)指示寄存器(ADC0CPT)和ADC校準(zhǔn)參數(shù)寄存器(ADC0CCF)讀寫,ADC0CFF的CPTR位用于ADC0CCF讀寫特定的校準(zhǔn)參數(shù)。

一般情況下,不必再進行非線性校正,若要進行這種校正,將ADCnLCAL位置1即可啟動,校正完成后,由硬件對ADCnLCAL位置0 ,校正參數(shù)存放在修正單元中。進行零點和增益校準(zhǔn)時,可以使用內(nèi)部或外部的電壓源作為校準(zhǔn)源,由ADCnSCAL位來設(shè)定。為了保證精度,建議先進行零點校準(zhǔn),后進行增益校準(zhǔn),零點校準(zhǔn)可由ADCnOCAL位的置1采啟動,校準(zhǔn)完成后,由硬件對ADCnOCAL位置0,零點校準(zhǔn)可以補償?shù)钠普`差為滿量程的±3.125%,偏移值在ADC的數(shù)字化之前加到AINnG輸入中;增益校準(zhǔn)可通過將ADCnGCAL位的置l來啟動,校準(zhǔn)完成后,由硬件對ADCnGCAL位置0,增益校準(zhǔn)可以補償?shù)姆蔷€性誤差約為±3.125%,增益值加到ADC的VREF通路中,用以改變轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)的斜率。

2.5 可編程窗口檢測器

ADC0有一個可編程窗口檢測器,它能連續(xù)地將ADC0的輸出與用戶設(shè)定的限位值進行比較,并監(jiān)測系統(tǒng)的超值條件是否滿足。這一點在中斷觸發(fā)系統(tǒng)中特別有用,既可以節(jié)約代碼空間和CPU的占用帶寬,又能提供快速的響應(yīng)時間。窗口檢測器的中斷標(biāo)志也可用于查詢方式,該標(biāo)志即特殊功能寄存器(ADC0CN)中的AD0INT位。參考字的高低字節(jié)被分別裝入ADC下限(大于)和上限(小于)寄存器(ADC0GTH/ADC0GTL和ADC0LTH/ADC0LTL)中。單端和差分方式都可以使用窗口檢測器,在單端方式中,窗口檢測器對寄存器(ADC0GTx/ADC0LTx)與ADC0的輸出進行比較,而差分方式是將ADC0和ADC1的組合輸出用于比較。應(yīng)該注意,窗口檢測器標(biāo)志可以在監(jiān)測到數(shù)據(jù)落在設(shè)定的限位值之內(nèi)或之外時置位或復(fù)位,這取決于對寄存器(ADC0GTx和ADC0LTx)的編程。

3 應(yīng)用舉例

圖2所示是一個微型彈簧自動測試分選系統(tǒng)的原理框圖,單片機()是該系統(tǒng)的控制中心,通過12位DAC的輸出產(chǎn)生一個直流電壓,送到加力器,加力器將使彈簧產(chǎn)生變形位移,由位移傳感器測出位移量,傳感器的輸出電壓送到Ain輸入端,經(jīng)過16位A/D轉(zhuǎn)換得到位移量,根據(jù)物理學(xué)胡克定理公式:F=-kS,單片機即可計算出彈簧的彈性系數(shù)k值。圖中,LED陣列用于不同k值的指示,由于C8051F060型單片機有多達59個數(shù)字I/O口,所以,液晶顯示LCD接口。LED指示矩陣接口及鍵盤掃描接口等,均不需要太多的外擴電路,簡化了系統(tǒng),提高了可靠性。


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4 結(jié)束語

近年來,隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展,混合信號單片機的模擬接口性能進一步提高,特別是ADC的功能更加完善,精度從10位、12位、直到16位甚至24位,但綜合考慮采樣速度等因素,C8051F06X系列單片機以16位精度和1 MS/s的采樣速度,以及其他靈活多樣的可配置功能,成為目前屈指可數(shù)的片上系統(tǒng)混合信號單片機??梢灶A(yù)見,該系列單片機必將在數(shù)據(jù)采集及智能化儀器儀表等方面得到廣泛的應(yīng)用。

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