【瑞萨RA_FSP】ADC——电压采集

文章目录

  • 一、ADC简介
  • 二、ADC的结构框图
    • 1. 电压输入范围
    • 2. 工作模式
    • 3. 转换过程顺序
    • 4. 触发源
    • 5. ADC转换时间
    • 6. 数据寄存器
    • 7. 电压转换


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

【瑞萨RA_FSP】ADC——电压采集_第1张图片

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。
【瑞萨RA_FSP】ADC——电压采集_第2张图片

  • 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:
【瑞萨RA_FSP】ADC——电压采集_第3张图片

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
    【瑞萨RA_FSP】ADC——电压采集_第4张图片
    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:
在这里插入图片描述
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:
在这里插入图片描述

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。

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