2配置RA6T2 ADC模塊

2.2 以16位深度操作ADC

2.2.6 數(shù)字濾波器功能

數(shù)字濾波器功能是獲得高精度和高分辨率16位深度A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果不可或缺的一部分。因此，在過采樣模式和混合模式下需要使用該功能。禁止在SAR模式下使用數(shù)字濾波器。

本節(jié)將介紹數(shù)字濾波器功能的特性和配置，并解釋濾波器的操作方法。

2.2.6.1 配置和特性

每個ADC單元配備4個數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器是具有22個抽頭的FIR型濾波器。在操作ADC之前，必須先配置數(shù)字濾波器。有兩款預(yù)設(shè)濾波器可供選擇：sinc濾波器（在FSP配置中稱為sync3濾波器）或最小相位濾波器。

sinc3濾波器的頻率響應(yīng)如下圖所示：

圖9. Sinc3濾波器的歸一化頻率響應(yīng)

最小相位濾波器的頻率響應(yīng)如下圖所示：

圖10. 最小相位濾波器的歸一化頻率響應(yīng)

有關(guān)sinc3濾波器和最小相位濾波器特性的更多信息，請參見《RA6T2硬件用戶手冊》的“電氣特性”一章。

數(shù)字濾波器通過ADDOPCRAn.DFSEL[2:0]（n = 0至36）和ADDFSRm（m = 0、1）寄存器進(jìn)行設(shè)置。下面的框圖顯示了數(shù)字濾波器配置：

圖11. 數(shù)字濾波器框圖

2.2.6.2 操作數(shù)字濾波器

如果使能數(shù)字濾波器功能，則A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)會按順序輸入數(shù)字濾波器。如果數(shù)字濾波器的所有抽頭都填滿數(shù)據(jù)，則會輸出計算結(jié)果，并將其發(fā)送到下一個數(shù)據(jù)處理步驟。

過采樣模式和混合模式的數(shù)字濾波器功能操作略有不同。

(1) 數(shù)字濾波器操作 – 過采樣模式

在過采樣模式下，A/D轉(zhuǎn)換器連續(xù)對一個模擬通道進(jìn)行過采樣。每次執(zhí)行過采樣時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)會按順序輸入數(shù)字濾波器。濾波器的所有抽頭都填滿轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，即會從濾波器輸出計算結(jié)果，并將其發(fā)送到下一個數(shù)據(jù)處理步驟。

將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到下一個數(shù)據(jù)處理步驟后，會丟棄數(shù)字濾波器中的抽頭數(shù)據(jù)。但是，如果使用A/D轉(zhuǎn)換值相加/平均值計算功能，則在收集到計算A/D轉(zhuǎn)換值的相加值或平均值所需的數(shù)據(jù)之前，將一直保留數(shù)字濾波器中的抽頭數(shù)據(jù)。計算出A/D轉(zhuǎn)換值相加值/平均值后，將丟棄數(shù)字濾波器中的抽頭數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)字濾波器操作 – 混合模式

混合模式可以同時使用多個數(shù)字濾波器電路并行處理最多四個模擬通道的過采樣數(shù)據(jù)（A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)）。每次執(zhí)行過采樣時，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)會按順序輸入數(shù)字濾波器。濾波器的所有抽頭都填滿轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，即會從濾波器輸出計算結(jié)果，并將其發(fā)送到下一個數(shù)據(jù)處理步驟。

在混合模式 – 單次掃描模式組合下，將在掃描操作結(jié)束時丟棄數(shù)字濾波器中的抽頭。

在混合模式 – 連續(xù)掃描模式組合下，只要繼續(xù)執(zhí)行連續(xù)掃描操作，數(shù)字濾波器中的抽頭數(shù)據(jù)就會不斷更新。因此，在數(shù)字濾波器中的所有抽頭都填滿數(shù)據(jù)后，每次執(zhí)行過采樣時都會輸出一個新的計算結(jié)果。如果掃描操作由于A/D轉(zhuǎn)換的強(qiáng)制停止而中止，將丟棄濾波器中的抽頭數(shù)據(jù)。

混合模式 – 后臺連續(xù)掃描模式組合與混合模式 – 連續(xù)掃描模式組合的數(shù)字濾波器操作相同。在后臺連續(xù)掃描操作期間，數(shù)字濾波器和其他數(shù)據(jù)處理仍在后臺進(jìn)行。如果掃描操作由于A/D轉(zhuǎn)換的強(qiáng)制停止而中止，將丟棄濾波器中的抽頭數(shù)據(jù)。

2.3 ADC時序注意事項

本節(jié)將重點(diǎn)介紹有關(guān)操作ADC單元的幾個時序注意事項。

2.3.1 采樣率計算

對外部輸入的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，所需的采樣時間取決于A/D轉(zhuǎn)換器中的采樣電容的充電時間。電路的簡化模型如圖12所示。采樣時間可以通過以下等式粗略估算：

tSPL = (REXT + RAD) × (CEXT + kCAD) × ln [kCAD / (CEXT + kCAD) × (2N / M)]

注：

tSPL：估計采樣時間

CEXT：外部電容（引腳電容 + PCB寄生電容）

CAD：內(nèi)部采樣電容

REXT：外部輸入信號源阻抗

RAD：內(nèi)部電阻

k：校正系數(shù)（取決于操作模式）

N：目標(biāo)轉(zhuǎn)換分辨率（16、14、12或10）

M：采樣誤差（基于N位A/D轉(zhuǎn)換器中的1個LSB）（1/4、1/2、1、2或4個LSB等）

各參數(shù)供參考的典型值如下：

? 模擬輸入引腳的引腳電容：5 pF

? 內(nèi)部采樣電容 (CAD)：5 pF

? 高速通道的內(nèi)部電阻RAD：0.7 kΩ

? 高精度通道的內(nèi)部電阻RAD：1.2 kΩ

? 正常精度通道的內(nèi)部電阻RAD：3.0 kΩ

? SAR模式下的校正系數(shù)k：1.2

? 過采樣模式下的校正系數(shù)k：1.0

? 混合模式下的校正系數(shù)k：1.2

圖12. 簡化電路模型和電容充電的采樣時間曲線

在給定的等式中，時間是根據(jù)模擬輸入電壓 (VIN) 與采樣電容電壓 (VAD) 之差達(dá)到小于或等于采樣誤差（基于N位A/D轉(zhuǎn)換器）所用的時間來估算的。

該等式只是經(jīng)過簡化的一般用例。它只能用于粗略估算采樣時間，不能保證獲得準(zhǔn)確的采樣時間。特別是對于正常精度通道，如果 (2N/M > 16384)，采樣時間估算的準(zhǔn)確性會下降。

2.3.1.1 16位轉(zhuǎn)換方法注意事項

對于16位轉(zhuǎn)換方法，其模擬輸入信號頻率的最大范圍計算取決于最大采樣頻率以及所選數(shù)字濾波器的歸一化截止頻率。

采樣時間的倒數(shù)即是采樣頻率。采樣頻率乘以所選相應(yīng)數(shù)字濾波器的歸一化截止頻率即可得出輸入頻率的上限。歸一化截止頻率在下表中突出顯示：

表9. 數(shù)字濾波器的歸一化截止頻率

計算示例：

如果轉(zhuǎn)換時間為1460ns，則需要至少1個20ns的額外周期以對采樣保持電路進(jìn)行重新采樣。因此，總周期為1480ns = 675.7KHz

Sinc濾波器：675.7KHz × 0.033 = 23.0KHz 最大輸入頻率

最小相位濾波器：675.7KHz × 0.116 = 78.4KHz 最大輸入頻率

2.3.2 時鐘速率

A/D轉(zhuǎn)換時鐘 (ADCLK) 是ADC的工作時鐘。A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0和ADC1）基于ADCLK（作為基本時鐘）運(yùn)行和控制。下圖為ADC的時鐘結(jié)構(gòu)：

圖13. ADC外設(shè)的簡化時鐘結(jié)構(gòu)

ADCLK由時鐘源按照ADCLKCR寄存器中所選的分頻比進(jìn)行分頻而產(chǎn)生。設(shè)置ADCLK的頻率時應(yīng)確保PCLKA ≥ ADCLK。此外，還應(yīng)在《硬件用戶手冊》的“電氣特性”一章規(guī)定的工作范圍（最小25MHz到最大60MHz）內(nèi)設(shè)置ADCLK的頻率，以確保正常工作。