C8051F020中的ADC應用要素

摘要：歸納SOC型芯片C8051F020中模數(shù)轉(zhuǎn)換部分的應用要素，包括精度與通道、速率與啟動、基準與增益、數(shù)據(jù)與控制，提出編程及相關(guān)SFR的操作順序。

    關(guān)鍵詞：片上系統(tǒng)（SOC） A/D轉(zhuǎn)換（ADC） 特殊功能寄存器（SFR）

C8051F020（簡稱F020）是美國德州Cygnal公司推出的一種混合信號SOC型8位單片機。它屬于C8051F系列中的F02x子系列。其性能價格比在目前應用領(lǐng)域極具競爭力。F020具有8路12位A/D轉(zhuǎn)換（簡稱ADC）接口和8路8位在線可編程（ISP）的ADC電路，片上的特殊功能寄存器（簡稱SFR）有15個與ADC的控制相關(guān)，它們是：

AMUX0SL——AMUX0通道選擇寄存器，復位值為00000000；

MAX0CF——AMUX0配置寄存器，復位值為00000000；

ADC0CF——ADC0配置寄存器，復位值為11111000；

ADC0CN——ADC0控制寄存器，復位值為00000000；

ADC0H——ADC0數(shù)據(jù)字MSB寄存器，復位值為00000000；

ADC0L——ADC0數(shù)據(jù)字LSB寄存器，復位值為00000000；

ADC0GTH——ADC0下限數(shù)據(jù)高字節(jié)寄存器，復位值為11111111；

ADC0GTL——ADC0下限數(shù)據(jù)低字節(jié)寄存器，復位值為11111111；

ADC0LTH——ADC0上限數(shù)據(jù)高字節(jié)寄存器，復位值為00000000；

ADC0LTL——ADC0上限數(shù)據(jù)低字節(jié)寄存器，復位值為00000000；

AMX1SL——AMUX1通道選擇寄存器，復位值為00000000；

ADC1CN——ADC1控制寄存器，復位值為00000000；

ADC1CF——ADC1配置寄存器，復位值為11111000；

ADC1——ADC1數(shù)據(jù)字寄存器，復位值為00000000；

REF0CN——基準電壓控制寄存器，復位值為00000000。

ADC是混合信號控制器的重要功能，如欲在應用編程中得心應手，就必須對其相關(guān)的要素有較清晰的整體認識。

1 ADC的精度與通道

F020采用TQFP100封裝，芯片引腳有8個（引腳18～25）專用于模擬輸入，是8路12位ADC的輸入端。每路12位的轉(zhuǎn)換精度都是其自身的±1LSB（最低位）。實際上，對于12位逐次逼近寄存器型（SAR）ADC只有1個，在它與各輸入端之間有1個具有9通道輸入的多路選擇開關(guān)（可配置模擬多路開關(guān)AMUX）。AMUX的第9通道連接溫度傳感器。在F020中，12位ADC稱為ADC0，另有8路8位在系統(tǒng)可編程（ISP）的ADC電路稱為ADC1。其8個外接引腳與P1口復用，片內(nèi)結(jié)構(gòu)與ADC0相近，只是轉(zhuǎn)換的位數(shù)為8位，轉(zhuǎn)換精度為8位的±1LSB。

ADC0端口的每一對均可用編程設(shè)置成為分別地單端輸入或差分輸入。差分輸入時的端口配對為0-1、2-3、4-5、6-7，此設(shè)置由通道選擇寄存器AMUX0SL的低4位和通道配置寄存器AMUX0CF的低4位確定。在AMX0CF中，位3～0各對應2個引腳通道。位值=0，表示是獨立的單端輸入（復位值均為單端輸入）；位值=1，表示是差分輸入對。對應AMX0CF選差分輸入時，AMUX0SL中只有在選雙數(shù)（含0）通道時才有效（注：AMUX0SL低4位為1xxx時，不論AMX0CF低4位為何值，均選溫度傳感器）。

將REF0CN的位3置“1”時，允許使用溫度傳感器；置“0”時，溫度傳感器的輸出為高阻態(tài)。溫度傳感器的值可用于修正參數(shù)的非線性或記錄、調(diào)整與溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)。

2 ADC的速率與啟動

C8051F系列單片機中ADC的速率都是可用編程設(shè)置的，但最少要用16個系統(tǒng)時鐘。一般在轉(zhuǎn)換之前還自動加上3個系統(tǒng)時鐘的跟蹤/保持捕獲時間（>1.5μs）。設(shè)置F020內(nèi)ADC速率的方法是通過配置寄存器ADCxCF(x為0或1)的位7～3來進行的，其復位值為11111（位7～3=SYSCLK/CLK SAR-1）。

一般在啟動ADC之前都要處于跟蹤方式，控制寄存器ADCxCN的位6如果為“0”，則一直處于跟蹤方式（此時啟動4種啟動方式都可比跟蹤啟動快3個系統(tǒng)時鐘）；如為“1”，則有4種跟蹤啟動方式可選擇，即對ADCxCN中的位3～2賦值：00為向ADBUSY寫1時跟蹤（軟件命令）；01為定時器3溢出跟蹤；10為CNVSTR上升沿跟蹤（外部信號）；11為定時器2溢出跟蹤。

復位時，ADCxCN的位7為0，處于關(guān)斷狀態(tài)。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時，AD

CxCN的位5為“1”，位4（忙標志）的下降沿觸發(fā)結(jié)構(gòu)中斷，也可用軟件查詢這些狀態(tài)位。

3 ADC的基準與增益

F020的片內(nèi)有1個1.2V、15×10 -6/℃的帶隙電壓基準發(fā)生器和1個兩倍增益的輸出緩沖器。2.4V的基準電壓（VREF）可通過外引腳分別接入ADC0、ADC1和DAC中。VREF對外帶載能力為200μA（建議在驅(qū)動外部負載時，對地接1個負載電阻）。ADC使用偏置時，必須將參考源控制寄存器REFcCN中的位1置“1”；如果“0”，則關(guān)閉內(nèi)部偏壓，此時可通過VREF引腳（引腳12）使用外部基準電壓，外部基準電壓必須小于VAV±0.3V（還要大于1V）。不用ADC，也不用DAC時，可將REFxCN的位0置“0”，使緩沖放大器處于省電方式（輸出為高阻態(tài)）。

設(shè)置REF0CN的位4為“0”時，ADC0用VREF偏置，為“1”時，用DAC0輸出偏置；設(shè)置REF0CN的位3為“0”時，ADC1用VREF偏置，為“1”時，用AV+偏置。

在F020的ADC電路中，輸入多路選擇開關(guān)AMUX后面都帶有1個可用編程設(shè)置增益的內(nèi)部放大器（PGA）。當各模擬通道之間輸入的電壓信號范圍差距較大時，或需要放大一個具有較大直流偏移的信號時（在差分輸入方式，DAC可用于提供直流偏移）顯得尤為有用。設(shè)置的方式是配置ADCxCF中的位2～0（000對應PGA的增益為1；001對應為2；010對應為4；011對應為8；10x對應為16、11x對應為0.5）。這里的增益對溫度傳感器信號也起作用。當增益為1時，VTEMP=0.002 86(V/℃)(TEMPC) ℃+0.776V。

4 ADC的數(shù)據(jù)與控制

對應單端輸入，ADC結(jié)果數(shù)據(jù)字格式為：0V——0000，VREF——0FFF或FFF0。

對應差分輸入，ADC結(jié)果數(shù)據(jù)字格式為2的補碼：VREF——07FF，0——0000，-VREF——F800或8000。

將ADCxCN的位0置“0”可使結(jié)果右對齊；置“1”可使結(jié)果左對齊。當差分輸入時，右對齊產(chǎn)生的多余高位是符號擴展位。

C8051F系列單片機內(nèi)還設(shè)有數(shù)據(jù)相關(guān)窗口中斷發(fā)生器或稱可編程窗口檢測器，也叫ADC上（下）限數(shù)據(jù)寄存器ADC0G（L）TH（L），用后臺方式監(jiān)視一個關(guān)鍵電壓。當轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)（或之外）時，向控制器申請轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷。要求在窗口之內(nèi)中斷時，上限寄存器LT裝入高位窗口數(shù)，下限寄存器GT裝入低位窗口數(shù)；若要求在窗口之外中斷時，則在下限寄存器GT中裝入高位窗口數(shù)，在上限寄存器LT中裝入下限窗口數(shù)。

復位時，ADC部分的狀態(tài)為：內(nèi)部電壓基準緩沖器關(guān)閉、內(nèi)部偏壓關(guān)閉、內(nèi)部傳感器關(guān)閉、ADC禁止、轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)寄存器右對齊、12位的端口均為單端輸入、端口指向AIN0、SAR轉(zhuǎn)換33個系統(tǒng)時鐘、內(nèi)部放大器增益為1、下限數(shù)據(jù)寄存器為FFFFH、上限數(shù)據(jù)寄存器為0000H。

綜合F020中與ADC相關(guān)的各要素，要想正確應用ADC功能，應按下列順序編程：設(shè)置參考電壓>設(shè)置允許ADC>設(shè)置跟蹤（啟動）方式>設(shè)定數(shù)據(jù)對齊>配置通道>選擇通道>設(shè)置轉(zhuǎn)換時鐘和增益>設(shè)定窗口檢測上、下限>啟動轉(zhuǎn)換。操作SFR的順序（以12位為例）為：REF0CH>ADC0CN>AMX0C>AMUX0SL>ADC0CF>ADC0GTH>ADC0GTL>ADC0LTH>ADC0LTL>ADC0CN或其它啟動方式。

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