【瑞萨RA_FSP】ADC——电压采集

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一、ADC简介

ADC即模拟数字转换器，ADC英文全称（Analog-to-digital converter）， 是一种用于将模拟电压的连续信号转换为离散的数字信号。就比如我们可以将我们生活中的温度、压力、声音这样的模拟信号通过ADC转化为我们可以通过单片机处理的数字信号。

RA6M5 有2个ADC单元，每个ADC单元有12位、10位、8位读取数据的格式可以选择，在单元0上有13个ADC通道，而在单元1上有16个ADC通道。 ADC单元具有三种扫描方式分别为：单次描模式、连续扫描模式和分组扫描模式， 对于RA6M5来说ADC单元具有强大的功能，具体可以通过ADC特性和ADC的结构框图中分析每个部分的功能。

RA6M5 的ADC特性如下：

• 2 个ADC转换单元。

• 可以进行TrustZone安全设置。

• 支持内部温度检测，内部参考电压。

• 逐次逼近型ADC，支持的分辨率：12-bit, 10-bit, 8-bit。

• 转换时间短：0.4 μs/每通道（12-bit ADC、时钟PCLKC (ADCLK)等于50 MHz的条件下）。

• 可启用A/D 数据存储缓冲区是一个环形缓冲区，由16个缓冲区组成，用于顺序存储A/D转换后的数据。

• 自诊断在每次扫描开始时执行一次，在ADC执行生成中的三个参考电压值中选择一个A/D转换值。

二、ADC的结构框图

1. 电压输入范围

ADC输入范围为：VREFL- ≤ VIN ≤ VREFH+。RA6M5的参考电压是由VREFL、VREFH 、AVCC0 、AVSS0 这四个外部引脚决定，且每个单元可以设置不同的参考电压，具体可以通过设置不同通道的VREFL、VREFH进行改变。

在设计原理图的时候一般把AVSS0和VREFL接地，把AVCC0和VREFH接3V3，得到ADC的输入电压范围为：0~3.3V。 如果想让输入的电压范围变宽，可以测试负电压或者更高的正电压，可以在外部加一个电压调理电路， 把需要转换的电压抬升或者降压到0~3.3V，这样ADC就可以测量了，为了测量的准确性还可以加上磁珠进行滤波。

2. 工作模式

在ADC单元0中有多达13个模拟输入通道，而在ADC单元1中有多达16个模拟输入通道以及内部的温度传感器输出， 两个ADC单元加起来总共就拥有了29个ADC通道。

• 单次扫描模式： 在单次扫描下，一次扫描一个或多个指定通道。

• 连续扫描模式： 在连续扫描下，一个或多个指定的通道被重复扫描，直到软件设置寄存器ADCSR.ADST位为0。

• 分组扫描模式： 将所选择的模拟输入通道上分为A组和b组，然后按组对所选择的模拟输入通道进行一次A/D转换。A、B组可独立选择扫描启动条件，可独立启动A、B组的A/D转换。

在单次扫描模式下和在连续扫描模式下，都会从最小的扫描通道开始从低到高进行A/D转换。如果开启了自诊断模式，在每次扫描开始时执行一次， 并转换三个参考电压中选择一个。每一种转换都有着它的优点和缺点，但具体使用什么模式进行ADC转换，就需要通过项目的需求需要什么样的效果来决定。

3. 转换过程顺序

有三种扫描转换模式分别为:单次扫描模式、连续扫描模式、组扫描模式。在扫描中，A/D转换是按顺序对指定通道的模拟输入进行的。

• 单次扫描模式：

在单次扫描模式转换期间，可以通过ADST为来判断ADC是否处在工作状态，在ADC转换的期间ADST为将一直保持为1，当所有选定通道的ADST转换完成时，将自动设置为0。然后ADC将进入一个等待状态。
①当ADCSR.ADST位通过软件触发器、同步触发器输入（ELC）和异步触发器输入被置1的时候，ADC转换开始。对在ADANSA0和ADANSA1寄存器中选择的ANn通道进行A/D转换，从编号最小的n的通道开始。
②每当单个信道的A/D转换完成时，A/D转换结果都被存储在关联的A/D数据寄存器（ADDRy）中。
③当所有选定通道的A/D转换完成时，将生成一个ADC12i_ADI（i = 0,1）中断请求。

• 连续扫描模式：

在连续扫描模式下，对指定信道的模拟输入重复执行A/D转换。 这里的ADCSR.ADST位不会自动清除,只要ADCSR.ADST位保持1时就会一直的重复步骤2、步骤3、步骤4，直到ADCSR.ADST位通过软件被置0时ADC单元转换才会停止，之后ADC单元进入等待状态。
①当ADCSR.ADST位通过软件触发器、同步触发器输入（ELC）和异步触发器输入被置1的时候，ADC转换开始。对在ADANSA0和ADANSA1寄存器中选择的ANn通道进行A/D转换，从编号最小的n的通道开始。
②每当单个信道的A/D转换完成时，A/D转换结果都被存储在关联的A/D数据寄存器（ADDRy）中。
③当所有选定通道的A/D转换完成时，将生成一个ADC12i_ADI（i = 0,1）中断请求。
④对在ADANSA0和ADANSA1寄存器中选择的ANn通道进行A/D转换，从编号最小的n的通道开始。

• 组扫描模式：

在群组扫描模式下，请选择A、B两组，分别选择A、B两组的开始扫描条件，并在不同的时间开始扫描。 另外还可以设置优先级，假设设置A组优先级高于B组优先级操作时，就可以在B组A/D转换时打断它， 使得A组进行A/D转换，而B组暂停A/D转换。
以ELC为列例子：使用GPT作为A组的触发源，并使用A组作为B组的触发源。

①当ELC0上的GPT触发ELC_ADC（A组）时，A组的ADC开始转换。
②当组A扫描完成时，将生成一个ADC12i_ADI（i = 0,1）中断。
③B组的扫描由ELC_ADC（A组）开始。
④当B组扫描完成时，如果ADCSR.GBADIE位为1时将生成一个ADC12i_GBADI（i = 0,1）中断。

4. 触发源

通道选好了，工作模式也设置好了，那么接下来就需要设置我们的触发源了。 可以设置软件来触发ADC、或者通过使用ELC进行触发、甚至还可以使用外部中断进行触发。 最终的目的是为了使得ADCSR.ADST位被置1，以至于可以使用不同的方式进行触发。

下图为可以在FSP里选择的模式：

5. ADC转换时间

• ADC时钟
  ADC输入时钟（转换时钟）ADCLK由PCLKC经过分频产生，最大值是四分频50MHz，ADC允许的最大值是50MHz，当我们使用50 MHz的时候12-bit转换时间为0.4 μs。 PCLKA 和 PCLKC (ADCLK) 的分频比可以设置为 1:1, 2:1, 4:1, 8:1, 1:2, 1:4。

• 采样时间
  
  扫描转换时间(tSCAN)包括：扫描开始时间(tD)、断开检测辅助处理时间(tDIS)*1、自诊断A/D转换处理时间(tDIAG和tDSD)*2、A/D转换处理时间(tCONV)、扫描结束时间(tED)。

A/D转换处理时间(tCONV)由输入采样时间(tSPL)和逐次逼近转换时间(tSAM)组成。采样时间(tSPL)用于在A/D转换器中对采样和保持电路充电。 如果由于模拟输入信号源的高阻抗而没有足够的采样时间，或者如果A/ D转换时钟(ADCLK)很慢，可以使用ADSSTRn寄存器来调整采样时间。

由逐次逼近(tSAM)转换的时间如下

①12位精度需要13个ADCLK
②状态10位精度需要11个ADCLK
③状态8位精度需要9个ADCLK

选择通道数为n的单次描模式下的扫描转换时间(tSCAN)可确定为:

连续扫描模式下第一个周期的扫描转换时间为单次扫描减去tED的tSCAN。连续扫描模式下第二次及后续周期的扫描转换时间固定如下:

6. 数据寄存器

在RA6M5的ADC中的数据寄存器有很多种，用来保存不同描模式下的数据 比如：ADDRn寄存器是16位只读寄存器（n=0~15），用来存储A/D转换结果、ADTSDR寄存器用来保存内部的温度传感器数据寄存器、 ADRD寄存器是用来自动诊断数据寄存器、ADOCDR寄存器是ADC内部参考电压数据寄存器。

还可以通过一些寄存器来设置数据的格式比如： ADC转换精度选择由ADCER.ADPRC[1:0]位设置(12位、10位、8位可选)、 ADC数据寄存器格式选择位ADCER.ADRFMT位设置(左对齐或右对齐)

7. 电压转换

模拟电压经过ADC转换后，是一个12位的数字值，如果通过串口以16进制打印出来的话，可读性比较差，那么有时候我们就需要把数字电压转换成模拟电压，也可以跟实际的模拟电压（用万用表测）对比，看看转换是否准确。

一般在设计原理图的时候会把ADC的输入电压范围设定在：0~3.3v，因为ADC是12位的，那么12位满量程对应的就是3.3V，12位满量程对应的数字值是：2^12。数值0对应的就是0V。如果转换后的数值为 X ，X对应的模拟电压为Y，那么会有这么一个等式成立： 2^12 / 3.3 = X / Y，=> Y = (3.3 * X ) / 2^12。