第9章模数转换ADC.ppt

1、1,第9章 模/数转换（ADC）第一节 概述 第二节 模/数转换器 第三节 采样保持器和多路模拟开关,本章教学目标： 1、了解ADC的基本概念 2、MSP430 ADC12的原理与基本应用,2,第一节 概述,计算机测量控制系统,3,计算机,多 路 开 关,传 感 器 1,放 大 器 1,滤 波 器 1,模拟 量 1,采样保持,A / D,传 感 器 n,放 大 器 n,滤 波 器 n,模拟 量 n,数据采集系统,与本课程相关部分,音频、视频信号,数字通信,4,第二节 模/数转换器 一、A/D 转换器的基本原理 二、MSP430 ADC12介绍,5,一、A/D 转换器的基本原理,模拟输入量,数字

2、输出量,000,001,010,011,000,001,010,011,1v,2v,3v,4v,5v,6v,7v,A/D转换器,量化,6,工作原理,特点,计数式,结构简单、,转换速度慢、精度低，实际少用,双积分式,精度高、转换速度慢、抗干扰性能好,逐次逼近式,转换速度较快、精度较高,实际常用、抗干扰性能不如积分式,高速并行式,转换速度快,价格高，精度低,A/D转换器分类,式,7,1分辨率：指A/D转换器所能分辨的最小模拟输入量，通常用A/D的位数表示。如：8位A/D的分辨率为8位，10位A/D的分辨率为10位,2转换精度：指实际输入的模拟值与理论输入的模拟值（根据A/D输出推算）之间的偏差。常

3、用数字量最低有效位 LSB 的几分之几表示。,3转换时间和转换速度：转换时间指完成一次A/D转换所需的时间，从启动信号开始到转换结束，得到稳定数字量的时间。转换速度是转换时间的倒数。,A/D转换器的主要技术指标,8,逐次逼近式A/D转换器原理图,-,+,D/A,转换器,输出缓冲器,控制 电路,启动信号 START,CLK 时钟,EOC 转换结束信号,D,7,D,0,比较器,模拟输入,数字输出 NADC,Vin,OE 输出使能信号,SAR,VREF,VDA,9,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,0,0,0,0,1,0,

4、1,0,0,0,1,0,D7,D6,D5,D4,D0,D1,D3,D2,10,A/D转换器的典型信号、电源、地,A/D 转换器,模拟量输入信号,A/D转换启动信号,数字量输出,A/D转换完成信号,输出使能信号,ADC时钟,电源,模拟地,数字地,参考电源,11,A/D转换的启动,电平启动,高电平启动,低电平启动,脉冲沿启动,上升沿启动,下降沿启动,启动方法,软件启动,硬件启动,启动信号,12,CPU 对 ADC 转换结果的读取方式,程序延时方式程序查询方式中断方式,13,二、MSP430 ADC12介绍,ADC12模块是一个转换速度高达200ksps、采样时间可编程的12-bit逐次逼近型模数转

5、换器。由12-bit的SAR核、采样保持电路、模拟开关、参考电压产生与选择电路、ADC时钟选择电路、采样与转换控制电路、16个转换结果存储缓冲器及其对应的16个存储控制寄存器、中断系统、片上集成温度传感器等组成。 ADC12可以在没有CPU的参与下，独立实现多达16次的采样、转换和存储操作。ADC12模块可以独立断电，以便于低功耗设计。 MSP430X13X,MSP430X14X,MSP43015X和MSP430X16X等芯片中均有ADC12模块。,14,ADC12模块,15,ADC12 的特点与性能指标：,采样率可达200ksps，采样率可编程； 分辨率12-bit； 内含16路模拟开关，其

6、中8路外部模拟输入，1路内部温度传感器输入等； 内含采样保持电路，采样时间可编程； 可由软件、Timer_A 或Timer_B启动转换过程； 参考电压可编程：内部（1.5V 或2.5V）、外部； 4种转换模式； ADC核和内部参考电源可编程断电，以实现节能； 具有中断（子）向量寄存器，供18路ADC中断译码用； 具有16个转换结果存储寄存器。,16,12-BIT SAR ADC,参 考电压源,时钟电路,采样/保持器,模 拟 开 关,采样与转换控制电路,结果存储缓冲器 与 相应的控制寄存器,MSP430 ADC12 原理框图,17,18,ADC12的模数转换部分原理图,19,NADC=4095,

7、当VinVR+ NADC=0, 当VinVR- VR+ 和 VR- 可由软件编程设置,ADC12的转换结果NADC：,20,参考电压源VR+,VR- 电路,21,BIS #REFON+REF2_5V , Vr+=Vref+,举例 ：ADC12 通道 0 使用内部 2.5V 参考电压源,SREF2 SREF1 SREF00 0 1,#SREF_1,22,BIS #REFON , Vr+=Vref+,举例 ：ADC12 通道 0 使用内部 1.5V 参考电压源,SREF2 SREF1 SREF00 0 1,#SREF_1,23,举例：VR+ 使用外部正参考电压源 VeREF+,BIS.B #SRE

8、F_2 , &ADC12MCTL0,SREF2 SREF1 SREF00 1 x,#SREF_2 or #SREF_3,or BIS.B #SREF_3 , &ADC12MCTL0,24,ADC12工作时钟（ADC12CLK）编程设置,例：BIS #ADC12SSEL_2 , &ADC12CTL1,25,MSP430F149 转换时钟、转换时间、电源建立时间和采样时间等参数,13/6.3=2.06 , 13/3.7=3.51,26,ADC12的模拟输入及其多路模拟开关 例：BIS.B #INCH_4 , &ADC12MCTL0,ADC12 中的采样保持器,模拟开关输出,什么是采样保持器？ 为什

9、么需要采样保持器？,请参见本章附录,28,Sample/Hold Input Signal,SAMPCON 为高电平时，采样保持器工作在采样模式 SAMPCON 为低电平时，采样保持器工作在保持模式 SAMPCON 的下降沿与 ADC12CLK 同步后启动 AD 转换,采样信号源选择,极性选择,采样方式选择,采样与转换控制,采样定时器,29,采样与转换控制,ADC12SC .0 ENC .1 MSC .7 SHT0x .811 SHT1x .1215 ISSH .8 SHP .9 SHSx .1011,ADC12CTL0,ADC12CTL1,30,SHP=0 , SAMPCON=SHI ,非采

10、样定时器采样方式（Extended Sample Mode） SHP=1 , SAMPCON=采样定时器输出,采样定时器采样方式（Pulse Sample Mode）,采样方式选择,31,非采样定时器采样方式（Extended Sample Mode） SHP=0 , SAMPCON=SHI,tsample = 采样保持输入信号（SHI）的宽度,32,采样定时器采样方式（Pulse Sample Mode） SHP=1 , SAMPCON=采样定时器输出,tsample = 采样定时器输出信号的宽度,采样保持输入信号的宽度,01ADC12CLK,4ADC12CLKtsample 1024ADC

11、12CLK,33,采样定时器设置 设置采样时间 tsample,4ADC12CLKtsample 1024ADC12CLK,SHT0x ADC12CTL0.811 SHT1x ADC12CTL0.1215,tsample ( Rs + 2k )9.01140pF + 800ns,12-bit 分辨率下的最小采样时间计算公式：,当Rs=10k时，tsample 5.13s,35,举例 ：ADC12 通道 07，使用采样定时器采样方式，采样时间=16ADC12CLK,SHT0x=2，采样时间=16ADC12CLK,BIS #SHT0_2 , Use sampling timer,36,每进行一次采

12、样和转换均需要 SHI 上升沿去触发采样定时器,除了启动第一次采样和转换时需要 SHI 的上升沿触发采样定时器外，后续的采样和转换过程无需 SHI 的上升沿触发。一旦上一次转换完毕，紧接着自动开始下一次的采样和转换过程。,MSC : 多次采样和转换控制位（仅序列或重复方式下有效）,MSC=ADC12CTL0.7,MSC=0 :,MSC=1 :,37,采样保持信号源选择,同步,SHSx=00 , ADC12SC bit 软件启动 SHSx=01 , Timer_A Output Unit1启动 SHSx=10 , Timer_B Output Unit0启动 SHSx=11 , Timer_B

13、Output Unit1启动,ENC,SHI,采保源,ENC,SHI,采保源,ISSH=0,ISSH=0,SHSx=ADC12CTL1.1011,38,MSP430F149 Timer_A Output Unit1 具有内部启动采样转换信号,39,16个12-bit的转换结果存储缓冲器,16个8-bit的转换存储控制寄存器,一一对应,ADC12转换结果存储缓冲器,存储指针,转换方式,40,ADC12 转换存储控制寄存器: ADC12MCTLx,参考电压源选择 模拟输入通道选择,通道序列结束标志,EOS=1的通道是序列转换中最后转换的通道,41,n=CSTARTADD,ADC12MEM0,ADC

14、12MEM1,ADC12MEMn,ADC12MEM15,ADC12MCTL0,ADC12MCTL1,ADC12MCTLn,ADC12MCTL15,ADC12 通道（channel）的概念,ADC12 通道n,一个ADC12通道（简称通道）由通道号、该通道的转换结果存储缓冲器、该通道的参考电压源配置、该通道的模拟输入以及通道序列结束标志等组成。ADC12通道n可以对应于16个模拟输入中的任何一个，不同的ADC12通道可以对应于同一个模拟输入，不同的ADC12通道可以有不同的参考电压源。 ADC12 通道与传统的模拟输入通道有很大的不同。,CSTARTADD=ADC12CTL1的最高 4 位的值=

15、015,42,ADC12 的通道序列（sequence of channels）,n=CSTARTADD,ADC12MEMn,ADC12MEMn+1,ADC12MEMn+2,ADC12MEMn+m,00011 1,EOS,序列开始,序列结束,k=(n+m)%16 循环队列,例：从 n 号ADC12 通道开始的，长度=m+1 的通道序列,k,43,0,1,n,15,14,队首,队尾,n=(n+1) % 16,n=CSTARTADD,0,0,0,0,1,EOS=1,有限长通道序列：某些通道的EOS=1,1,1,0,0,0,0,44,无限长通道序列：所有通道的EOS=0,0,1,n,15,14,队首

16、,n=(n+1) % 16,n=CSTARTADD,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,45,ADC12的 4 种转换方式（运行方式）,单通道单次转换方式,通道序列单轮转换方式,单通道重复转换方式,通道序列重复转换方式,46,常用转换方式通道序列单轮转换方式,每一轮通道序列中第一通道的采样和转换都由定时器（TA1/TB0/TB1）启动，然后由采样定时器自动启动后续通道的快速采样和转换，直到EOS=1的通道转换完毕，完成第一轮。,47,ADC12 off,n=CSTARTADDx Wait for Enable,Sample,Input Channel Defined in ADC12M

17、CTLn,Wait for Trigger,Convert,ConversionCompleted, Result Stored into ADC12MEMn, ADC12IFGn is Set,ENC=,ENC=,SAMPCON=,SAMPCON=1,SAMPCON=,12ADC12CLK,1ADC12CLK,EOS.n=1,if n15 then n=n+1 else n=0MSC=1 and SHP=1 and EOS.n=0,ADC12ON=1,停止条件,状态转换图,48,定时器 TA1 启动的通道序列单轮转换方式举例,通道序列定义： 通道号 结果存储缓冲器 模拟输入 参考电压源 EO

18、S0 ADC12MEM0 A0 内部2.5V 01 ADC12MEM1 A1 内部2.5V 02 ADC12MEM2 A2 内部2.5V 03 ADC12MEM3 A3 内部2.5V 1,49,定时器TA,采样定时器,采样间隔,A0 A1 A2 A3,第一轮,A0 A1 A2 A3,第二轮,ADC12IFG3 interrupt,ADC12IFG3 interrupt,50,BIS.B #BIT0+BIT1+BIT2+BIT3 , Enable ADC12IFG3 interrupt,ADC12 初始化编程：,51,Timer_A 初始化编程采样间隔=TACCR0（单位：Timer clock

19、 周期） 正脉冲宽度=TACCR0 - TACCR1,OUT1,52,BIS.B #BIT2 , SMCLK, up mode,53,ADC12 模块,ADC12OV,ADC12TOV,ADC12IFG0,ADC12IFG1,ADC12IFG15,ADC12 的中断 分3类，共18个中断源,ADC12MEMx 装入新数据中断,ADC12MEMx 被覆盖中断（上一次转换结果尚未读出，新的转换结果又写入同一个存储缓冲器中）,ADC12转换时间溢出中断（采样转换间隔太短，前一次尚未转换完毕，又启动新的AD转换）,中断优先级高,中断优先级低,如果ADC12OV/ADC12TOV中断是最高优先级的已请求

20、的中断，则读写ADC12IV寄存器将自动复位ADC12OV/ADC12TOV,54,ADC12IFG0,ADC12IFG1,ADC12IFG15,ADC12 中断控制,ADC12IE0,ADC12IE1,ADC12IE15,GIE,CPU,0 No interrupt pending 1 Interrupt pending,0 Interrupt disable 1 Interrupt enable,读取ADC12MEMx将自动清零中断标志位ADC12IFGx， ADC12IFGx也可由软件清零。（存取ADC12IV寄存器不会清零中断标志位）,ADC12OV,ADC12TOV,ADC12OVI

21、E,ADC12TOVIE,ADC12CTL0.3,ADC12CTL0.2,优先级,总控,分控,0FFEEh,共享中断向量,55,ADC12 的中断（子）向量寄存器,read only register, ADC12 中断服务子程的跳转表,56,注意：ADC12OV和ADC12TOV没有相应的可供读取的标志位,57,ADC12 中断服务子程结构 ADC12_ISRADD check other int pending ,58,ADM1MOV ,59,ADC12 编程举例,ADC12CTL0,ADC12CTL1,ADC12MCTLx,ADC12MEMx,ADC12IFG,ADC12IE,P6SEL

22、,ADC12IV,ADC12 的编程结构 （不考虑TA1,TB0,TB1）,60,与ADC12有关的引脚,61,模拟开关,A0A7,P6SEL.x=1,必须为高阻态！,P6SEL,BIS.B #BITx , &P6SEL,62,注意：应符合硬件互斥设计原则 ADC12的8个模拟输入引脚（A0A7）与P6数字输入输出引脚复用，因此当上电复位后或编程选择这些引脚为I/O的输出功能的同时施加模拟输入信号，将有可能导致大电流流经这些引脚的输出电路和模拟信号源，违反了互斥设计原则。 为了实现互斥操作，应将与模拟信号相连接引脚的P6SEL.x置为“1”：BIS.B #BIT.x , &P6SEL,63,A

23、DC12CTL0,自动快速连续采样转换控制,内部参考电压源控制位,ADC12模块供电控制,溢出中断使能控制,转换使能控制,软件启动采样转换控制,815通道采样时间设置,07通道采样时间设置,64,ADC12CTL1,通道序列起始通道号设置,采样信号源选择,采样方式选择,采样保持信号反向控制位,ADC12时钟分频设置,ADC12时钟源选择,转换方式选择,ADC12“忙” 指示位,65,ADC12MCTLn,参考电压源选择 模拟输入通道选择,通道序列结束标志,n 通道属性控制寄存器,注意： ADC12CTL0、ADC12CTL1 和 ADC12MCTLn 三种控制寄存器的大部分控制位（灰色背景）需

24、在 ENC=0 的情况下才能编程修改。,66,ADC12控制寄存器的复位值：,不使用内部参考电压源,ADC12模块处于断电状态,禁止溢出中断,ENC=0（未使能状态）,通道号或通道序列起始通道号=0,采样信号源为ADC12SC（软件启动）,采样方式：不使用采样定时器,ADC12时钟为内部时钟，不分频,转换方式：单通道单次转换,ADC12CTL1=0000h,ADC12MCTLn=00h,ADC12CTL0=0000h,模拟输入通道为A0,参考电压源：VR-=AVSS， VR+=AVCC,非结束通道（EOS=0）,SHT0x=0,SHT1x=0,MSC=0,必须编程,ADC12IE=0000h

25、禁止ADC12IFGx中断,67,举例00 全部采用复位值，查询方式转换完毕后通过 P1.0 输出一个负脉冲,bis.b #01h , Enable ADC12,相关寄存器初始化编程：,68,软件启动单通道单次转换方式状态转换图,ADC12 off,n=CSTARTADDx Wait for Enable,Sample,Input Channel Defined in ADC12MCTLn,Convert,ConversionCompleted, Result Stored into ADC12MEMn, ADC12IFGn is Set,ADC12ON=1,ENC,SAMPCON=1,ENC

26、=1 or and,ADC12SC=,SAMPCON=,12个ADC12CLK,1个ADC12CLK,ENC=0,ENC=0*,ENC=0*,*Conversion result is unpredictable,软件启动,采样期间,转换时间,存储等时间,给模块供电,转换完毕后ADC12SC自动清零,69,#include ORG 01100h ; Program Start RESET mov #0A00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WDTHOLD, P1.0 = 1jmp Main,70,;- ; Interrupt Vectors Us

27、ed MSP430x13x/14x/15x/16x ;-ORG 0FFFEh ; MSP430 RESET VectorDW RESET ;END,问题：请实验验证程序设计的正确性，如何改正？ 提示：采样时间？AD 转换启动信号？,ADC12SC automatically cleared at EOC.,71,举例 使用采样定时器，采样时间=16ADC12CLK ，其它采用复位值。查询方式。转换完毕后通过 P1.0 输出一个负脉冲,SHT0x=2，采样时间=16ADC12CLK,72,bis.b #01h , Enable ADC12,相关寄存器初始化编程：,73,#include ORG

28、01100h ; Program Start RESET mov #0A00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WDTHOLD, P1.0 = 1jmp Main,74,;- ; Interrupt Vectors Used MSP430x13x/14x/15x/16x ;-ORG 0FFFEh ; MSP430 RESET VectorDW RESET ;END,75,举例01 使用采样定时器，采样时间=16ADC12CLK ，使用 ADC12IFG0 中断，其它采用复位值。If A0 0.5*AVcc, P1.0 set, else reset

29、.In Main MSP430 waits in LPM0 to save power untilconversion complete, ADC12_ISR will force exit from LPM0 in Main on reti.,76,bis.b #01h , Enable ADC12,相关寄存器初始化编程：,77,#include ;-ORG 01100h ; Program Start ;- RESET mov #0A00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WDTHOLD, Again,78,;- ADC12_ISR ; Exi

30、t any LPMx on retibic.b #01h,END,79,举例02 使用内部 2.5V 参考电压源，使用采样定时器，采样时间=16ADC12CLK ，其它采用复位值。查询方式。转换完毕后通过 P1.0 输出一个负脉冲,80,SREF2 SREF1 SREF00 0 1,#SREF_1,81,相关寄存器初始化编程：,bis.b #BIT0 , Enable conversions,82,#include ;-ORG 01100h ; Program Start ;- RESET mov #0A00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WD

31、THOLD, Enable conversions,83,bis.b #01h,END,84,举例04 使用采样定时器，采样时间=1024ADC12CLK ，使用 ADC12IFG0 中断，其它采用复位值，并将转换结果转存到R5中。,SHT0x=15，采样时间=1024ADC12CLK,85,#include ;-ORG 01100h ; Program Start ;- RESET mov #0A00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WDTHOLD, Enable conversions,86,Main bis #ADC12SC, Return

32、 activereti,87,;- ; Interrupt Vectors ;-ORG 0FFFEh ; MSP430 RESET VectorDW RESET ;ORG 0FFEEh ; ADC12 Interrupt VectorDW ADC12ISR ;END,88,举例05 使用外部正参考电压源 VeREF+ ，使用采样定时器，采样时间=16ADC12CLK ，其它采用复位值。查询方式。转换完毕后将转换结果转存到 R5 中。,相关寄存器初始化编程：,bis.b #BIT0 , Enable conversions,89,#include ;-ORG 01100h ; Program S

33、tart ;- RESET mov #0A00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WDTHOLD, Enable conversions,90,Main bis #ADC12SC,END,91,举例06 重复通道序列转换方式，使用采样定时器，采样时间=256ADC12CLK ，使用 ADC12IFG.3 中断，其它采用复位值，并将转换结果转存到RAM中。,SHT0x=8，采样时间=256ADC12CLK,92,通道序列定义： 通道号 结果存储 模拟输入 RAM缓冲器 通道号 0 ADC12MEM0 A0 0x2000x20E1 ADC12MEM1

34、A1 0x2100x21E2 ADC12MEM2 A2 0x2200x22E3 ADC12MEM3 A3 0x2300x23E注意：通道号与模拟输入通道号可以不一致。因此上述的通 道定义也可以如下： 通道号 结果存储 模拟输入 RAM缓冲器 通道号 0 ADC12MEM0 A3 0x2000x20E1 ADC12MEM1 A1 0x2100x21E2 ADC12MEM2 A2 0x2200x22E3 ADC12MEM3 A0 0x2300x23E,93,通道号 结果存储 模拟输入 RAM缓冲器 通道号 0 ADC12MEM0 A1 0x2000x20E1 ADC12MEM1 A1 0x2100

35、x21E2 ADC12MEM2 A3 0x2200x22E3 ADC12MEM3 A3 0x2300x23E通道号 结果存储 模拟输入 RAM缓冲器 通道号 5 ADC12MEM5 A6 0x2000x20E6 ADC12MEM6 A0 0x2100x21E7 ADC12MEM7 A5 0x2200x22E8 ADC12MEM8 A3 0x2300x23E,94,ADC12 off,n=CSTARTADDx Wait for Enable,Sample,Input Channel Defined in ADC12MCTLn,Convert,ConversionCompleted, Result

36、 Stored into ADC12MEMn, ADC12IFGn is Set,SAMPCON=1,ENC=1 or and,ADC12SC=,SAMPCON=,1ADC12CLK,ENC=0 and EOS.n=1,if EOS.n=1 then n=CSTARTADDx else if n15 then n=n+1else n=0 MSC=1 and SHP=1and (ENC=1 or EOS.n=0),ADC12ON=1,软件启动,12ADC12CLK,停止条件,通道序列重复转换方式状态转换图由软件启动第一轮首通道（通道0）的采样和转换，然后由采样定时器自动实现后续通道的快速采样和转

37、换，到EOS=1的通道（通道3）转换完毕后又立即从通道0开始新一轮的采样和转换，直到停止条件满足为止。期间无需CPU的干预。,EOS.3=1,CSTARTADDx0,95,#include A0result EQU 0200h ; Channel A0 results A1result EQU 0210H ; Channel A1 results A2result EQU 0220H ; Channel A2 results A3result EQU 0230H ; Channel A3 results ;-ORG 01100h ; Program Start ;- RESET mov #0A

38、00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WDTHOLD, Clear pointer,96,bis.b #BIT0+BIT1+BIT2+BIT3, 软件启动后，通道序列的采样和转换无需CPU的干预,97,;- ADC12ISR ; 当通道3转换完毕后进入该中断子程mov END,98,问题：请实验验证程序设计的正确性，如何改正？,99,举例07 单通道重复转换方式，使用采样定时器，采样时间=256ADC12CLK ，使用 ADC12IFG.0 中断，其它采用复位值，并将转换结果转存到RAM中。,SHT0x=8，采样时间=256ADC12CLK,10

39、0,#include Results EQU 0200h ; Begining of Results table ;-ORG 01100h ; Program Start ;- RESET mov #0A00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WDTHOLD, 软件启动后，通道序列的采样和转换无需CPU的干预,101,;- ADC12ISR ; Interrupt Service Routine for ADC12mov END,102,103,举例08 通道序列单轮转换方式，使用采样定时器，采样时间=1024ADC12CLK ，使用 ADC12I

40、FG.1 中断，其它采用复位值。,通道序列定义： 通道号 结果存储 模拟输入 转换结果缓冲器 通道号 转存到 0 ADC12MEM0 A8 R51 ADC12MEM1 A9 R6,VeREF+,VeREF-,104,ADC12的模拟输入 及其多路模拟开关,A8,A9,105,#include ;-ORG 01100h ; Program Start ;- RESET mov #0A00h,SP ; Initialize stackpointermov #WDTPW+WDTHOLD, SET BREAKPOINT HERE,106,;- ADC12ISR ; Interrupt Service Routine for ADC12mov END,