第25章

ADC——電壓采集

25.1

ADC簡介

ADC即模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-digital converter），是一種用于將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的器件。就比如我們可以將我們生活中的溫度、壓力、聲音這樣的模擬信號通過ADC轉(zhuǎn)化為可以通過單片機(jī)處理的數(shù)字信號。

RA6M5有2個(gè)ADC單元，每個(gè)ADC單元有12位、10 位、8位讀取數(shù)據(jù)的格式可以選擇，在單元0上有13 個(gè)ADC通道，而在單元1上有16個(gè)ADC通道。ADC 單元具有三種掃描方式分別為：單次描模式、連續(xù)掃描模式和分組掃描模式，對于RA6M5來說ADC單元具有強(qiáng)大的功能，具體我們可以通過ADC特性和ADC的結(jié)構(gòu)框圖來分析每個(gè)部分的功能。

RA4M2有1個(gè)ADC單元，ADC單元也有12位、10 位、8位讀取數(shù)據(jù)的格式可以選擇，有13個(gè)ADC通道。RA2L1有1個(gè)ADC單元，ADC單元僅有12位讀取數(shù)據(jù)的格式可以選擇，有19個(gè)ADC通道。

ADC模塊特性

以啟明6M5開發(fā)板的為例，RA6M5的ADC特性如下：

2個(gè)ADC轉(zhuǎn)換單元。

支持高達(dá)26個(gè)通道。其中有三組通道（AN000&AN100、AN001&AN101和AN002&AN102）分別共用相同的引腳，因此通道AN000和AN100不可同時(shí)使用，AN001和AN101、AN002和AN102這兩組也同理。

支持內(nèi)部溫度傳感器，可以檢測芯片運(yùn)行溫度；支持測量內(nèi)部參考電壓。

逐次逼近型ADC，支持的分辨率：12-bit，10-bit，8-bit。

轉(zhuǎn)換時(shí)間很短：0.4μs/每通道（這是在使用12-bit ADC、時(shí)鐘PCLKC（ADCLK）等于50MHz的條件下）。

PCLKA是RA6M5 ADC外設(shè)模塊的時(shí)鐘，用于驅(qū)動(dòng)外設(shè)模塊的工作；而PCLKC（ADCLK）是用于A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，它們的頻率需要保持一定的比例。PCLKA與PCLKC（ADCLK）的時(shí)鐘頻率比可以設(shè)置為：1:1，2:1，4:1，8:1，1:2，1:4。

可啟用的A/D數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)是一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)，由16個(gè)緩沖組成，用于順序存儲(chǔ)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。

注

RA4M2與RA6M5的ADC外設(shè)基本上沒多大差別，而RA2L1的ADC特性差別稍微大一點(diǎn)。三者ADC特性的簡單對比如下表所示：

表1：RA6M5/RA4M2/RA2L1的ADC特性

ADC的相關(guān)引腳或信號及其功能用途如下表所示：

表2：ADC相關(guān)引腳或信號及其功能

25.2

ADC的結(jié)構(gòu)框圖

RA6M5有兩個(gè)ADC單元，即ADC Unit 0和ADC Unit 1；而RA4M2和RA2L1僅有一個(gè)ADC單元。實(shí)際上，RA4M2的ADC單元與RA6M5的ADC Unit 0 是基本一致的，RA2L1的ADC單元也僅有很少的區(qū)別。下面我們將以RA6M5的兩個(gè)ADC單元為例來講解ADC模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

RA6M5的ADC Unit 0的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

RA6M5的ADC Unit 1的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

對比以上ADC單元0和單元1的結(jié)構(gòu)框圖，可以發(fā)現(xiàn)兩者除了參考電壓引腳不同以外，其他結(jié)構(gòu)幾乎完全相同。

25.2.1

單元0和單元1的獨(dú)立參考電壓

見圖中標(biāo)注①處。

ADC0和ADC1的參考電壓其實(shí)是獨(dú)立的，這一點(diǎn)需要注意一下：

ADC0的參考電壓為VREFH0和VREFL0；

ADC1的參考電壓為VREFH和VREFL。

RA6M5的兩個(gè)ADC單元每個(gè)單元都可以設(shè)置為不同的參考電壓，VREFL0、VREFH0是ADC0參考電壓和參考地；VREFL、VREFH是ADC1參考電壓和參考地。用戶在硬件設(shè)計(jì)時(shí)可以為這兩個(gè)不同的ADC單元設(shè)置不同的參考電壓。

電壓輸入范圍

ADC0通道的輸入電壓范圍為：VREFL0≤VIN≤VREFH0；

ADC1通道的輸入電壓范圍為：VREFL≤VIN≤VREFH。

我們在設(shè)計(jì)原理圖的時(shí)候一般把AVSS0和VREFL0/VREFL接地，把AVCC0和VREFH0/VREFH經(jīng)過一個(gè)磁珠進(jìn)行濾波之后接到3V3，因而可得到ADC的輸入電壓范圍為：0~3.3V。如果我們想讓輸入的電壓范圍變寬，可以測試負(fù)電壓或者更高的正電壓，我們可以在外部加一個(gè)電壓調(diào)理電路，把需要轉(zhuǎn)換的電壓轉(zhuǎn)換到0~3.3V 的范圍，這樣就可以使用ADC進(jìn)行測量了。

25.2.2

單元0和單元1的輸入通道

見圖中標(biāo)注②處。

ADC的模擬輸入通道：

AN0xx是ADC0的模擬輸入通道（xx為通道號）；

AN1xx是ADC1的模擬輸入通道（xx為通道號）。

具體的ADC通道如下：

ADC0通道：AN000~AN010，AN012，AN013（共13個(gè)通道）；

ADC1通道：AN100~AN102，AN116~AN128（共16個(gè)通道）。

總共29個(gè)ADC通道（實(shí)際可同時(shí)使用的為26個(gè)通道）

從上圖中，我們還可以看到：

ADC0與ADC1之間有三組通道，即AN000和AN100、AN001和AN101、AN002和AN102分別共用了相同的物理引腳，因此通道AN000和AN100不可同時(shí)使用，AN001和AN101、AN002和AN102這兩組也是一樣的，不可同時(shí)使用。

25.2.3

模擬多路轉(zhuǎn)換器和采樣保持器

見圖中標(biāo)注③處。

模擬多路轉(zhuǎn)換器用于對需要轉(zhuǎn)換的ADC通道進(jìn)行選擇，從上圖可以發(fā)現(xiàn)，使用ADC除了可以對一般通道（AN0xx或AN1xx）的電壓進(jìn)行測量以外，我們還可以選擇對內(nèi)部參考電壓、內(nèi)部溫度傳感器輸出等信號進(jìn)行測量。

采樣保持器具有對輸入的信號進(jìn)行采樣和保持的功能。

25.2.4

AD轉(zhuǎn)換器、AD數(shù)據(jù)和控制寄存器

見圖中標(biāo)注④處。

ADC0和ADC1均為逐次逼近型的AD轉(zhuǎn)換器。ADC 控制寄存器用于通過控制電路控制ADC外設(shè)模塊的各項(xiàng)功能。

對于RA6M5和RA4M2來說，用戶可設(shè)置ADC外設(shè)的AD轉(zhuǎn)換精度為12-bit，10-bit，8-bit，相應(yīng)的，AD 轉(zhuǎn)換結(jié)束后保存到數(shù)據(jù)寄存器的結(jié)果對應(yīng)為12-bit，10-bit，8-bit數(shù)據(jù)。對于RA2L1，其ADC外設(shè)僅支持AD轉(zhuǎn)換精度為12-bit。

用戶還可以設(shè)置ADC數(shù)據(jù)寄存器的保存格式為左對齊或右對齊。如下圖所示。

25.2.5

控制電路以及觸發(fā)輸入和輸出信號

見圖中標(biāo)注⑤處。

中斷請求信號

事件輸出到ELC信號

同步觸發(fā)信號

異步觸發(fā)信號

中斷源

在AD掃描結(jié)束后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)AD掃描結(jié)束中斷請求信號和ELC信號。用戶還可以設(shè)置激活DTC啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，將ADC轉(zhuǎn)換的結(jié)果快速傳輸至指定的位置。

觸發(fā)源

用于觸發(fā)啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換的觸發(fā)源包含以下的三種類型：

軟件觸發(fā)

來自事件鏈接控制器（ELC）的同步觸發(fā)

通過外部觸發(fā)引腳，以及ADTRG0（unit 0）和ADTRG1（unit 1）

下圖為我們可以在FSP里選擇的模式：