帶有高性能ADC的單片機C8051F060

1 引言

在混合信號單片機中，美國Cygnal公司新推出的C8051F06X系列高集成度混合信號單片機可謂一枝獨秀。C8051F06X是高度集成的片上系統(tǒng)單片機，它有多達59個數(shù)字I／O口，采用與8051兼容的內(nèi)核CIP-51，速度高達25MI／s。該系列單片機有C8051F060／2型和C8051F061／3型，與同家族的其他單片機相比，其模擬外設(shè)性能優(yōu)異，除有一個帶可編程放大器和多路選擇器的8路10位ADC外，還有兩路采樣速度可達1 MS／s的16位ADC，兩路12位DAC，3個電壓比較器，1個片內(nèi)溫度傳感器和參考電壓源等。本文僅以C8051F060型為例，著重介紹其高速、高精度模／數(shù)轉(zhuǎn)換器的使用方法。

2 高精度模／數(shù)轉(zhuǎn)換器

模／數(shù)轉(zhuǎn)換接口由2路16位逐次逼近式ADC、集成采樣保持器、一個可編程窗口檢測器、一個DMA接口組成。ADC0／ADC1可配置成單端或差分輸入方式。模／數(shù)轉(zhuǎn)換的工作方式，窗口檢測器和DMA接口均可通過特殊功能寄存器由軟件控制，模／數(shù)轉(zhuǎn)換器及其采樣保持電路也可通過特殊功能寄存器單獨設(shè)置，如圖1所示。顯然，轉(zhuǎn)換啟動方式靈活，軟件事件、外部硬件信號和周期性的定時溢出都能用作觸發(fā)信號，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，16位的結(jié)果鎖存在SFR中，可由DMA接口將其存入片內(nèi)或片外RAM。

2．1 單端／差分輸入方式

ADCO和ADC1既可編程為單端輸入方式獨立工作，也可以設(shè)置為互相配合接收差分輸入信號。采用單端輸入方式時，ADC可配置為同步采樣，或采用不同的轉(zhuǎn)換速度。采用差分輸入時，ADC1服從于ADC0，除零點和增益校準外，它的配置均基于ADC0。通道選擇寄存器AMXOSL的DIFFSEL位用于選擇單端和差分輸入方式。差分輸入時，輸入到ADC的是一個偽差分信號，每個ADC的實際測量電壓等于引腳AIN和引腳AINDG之間的電壓。AINDG必須在-0．2V～0．6V之間，在大多數(shù)系統(tǒng)中，AINDG接到AGND，否則，AINDG信號會產(chǎn)生一個微小的負向偏置，建議用內(nèi)部的校準功能解決。AINOG和AIN1G要可靠連接在一起，為了得到精確的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在兩種方式下，AINn電位均應高于AINnG。

2．2 參考電壓

ADC0和ADC1可以配置不同的參考電壓電路，既可以使用片內(nèi)精密參考電壓源，也可以使用片外參考電壓源。片內(nèi)參考電壓源電路由一個獨立的溫度穩(wěn)定式帶隙參考電壓發(fā)生器產(chǎn)生1．25 V電壓，再由一個緩沖放大器將其放大2倍，其最大負載電流不能大于100μA，建議在VREF端和VRGND端外接0．1μF和47 μF的旁路電容器。每個參考電壓電路可由參考電壓控制寄存器(REFnCN)分別控制，其中，BIASEn位控制參考電壓發(fā)生器的使能，REFBEn位控制乘2緩沖器的使能。當禁止時，內(nèi)部參考電壓電路的耗電量為1μA，緩沖放大器呈高阻抗狀態(tài)；當使用內(nèi)部參考電壓源時，這兩個控制位均須置l；當使用外部參考電壓源時，控制位REFBEn應置0。應該注意，不論使用何種參考電壓源，當使用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器時，BIASEn位必須置1，不使用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器時，BIASEn位置0，以有利于降低能耗。

2．3 工作方式

ADC0和ADC1的最大轉(zhuǎn)換速度為1 MS／s，轉(zhuǎn)換時鐘由系統(tǒng)時鐘分頻產(chǎn)生，并由ADCnCF型寄存器的ADCnSC位設(shè)定。

2．3．1 轉(zhuǎn)換啟動方式

對于ADC0，模／數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動方法有4種，由ADC0CN型寄存器中的轉(zhuǎn)換啟動方式位AD0CMl／AD0CM0決定，這4種方式分別是給ADC0CN的AD0BUSY位寫1；定時器2的溢出；定時器3的溢出；檢測到外部ADC轉(zhuǎn)換啟動信號CNVSTR0的上跳沿。對于ADC1，模／數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動方法有5種，由寄存器ADC1CN中的轉(zhuǎn)換啟動方式位AdlCM12-AD1CM0決定，這5種方式分別是給ADC1CN的AD1BUSY位寫l；定時器2的溢出；定時器3的溢出；檢測到外部ADC轉(zhuǎn)換啟動信號CNVSTR的上跳沿；給ADC0CN的AD0BUSY位寫1。

在模／數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，ADnBUSY位被置1，轉(zhuǎn)換結(jié)束后，該位被清零，如果允許中斷，ADnBUSY信號的下降沿將觸發(fā)中斷，并置位ADnINT的中斷標志位ADCnON．5。在單端方式，模／數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)據(jù)存放在ADCnH和ADCnL中；在差分方式，模／數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)據(jù)是ADC0與ADC1之和，存放在ADC0H和ADC0L中。當用給ADC0CN的AD0BUSY位寫1的方法啟動模／數(shù)轉(zhuǎn)換時，應該查詢ADnINT位，以便確定模／數(shù)轉(zhuǎn)換何時完成，建議查詢步驟為給ADnINT寫0；給ADnBUSY寫1；查詢ADnINT位是否為l；處理ADC數(shù)據(jù)，當在差分方式且以外部信號啟動模／數(shù)轉(zhuǎn)換時，應將引腳CNVSTR0和引腳CNVSTR1連接起來。

2．3．2 采樣保持方式

模／數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣保持方式由ADCnCN型寄存器的ADCnTM位控制，一旦ADCn被啟動，其輸入將被連續(xù)采樣，而這時轉(zhuǎn)換尚未開始，當AdnTM位為1，轉(zhuǎn)換開始進行，一個采樣周期由18個SAR時鐘組成。當用CNVSTRn信號啟動轉(zhuǎn)換時，ADC一直采樣，直到引腳CNVSTRn上出現(xiàn)一個上跳沿為止。將AdnTM位置為1，就能保證在模擬輸入端接外部多路選擇器時，滿足必要的建立時間。

2．3．3 建立時間

如果ADC的輸入為高速快變信號，如外部多路選擇器的切換或其他跳變信號，則在進行轉(zhuǎn)換之前需要一個最小跟隨時間，這個時間取決于ADC的輸入電阻，采樣電容，外部等效電阻及所期望的轉(zhuǎn)換精度，等效時間常數(shù)對單端輸入和差分輸入都是一樣的，給定精度所需要的建立時間可由下式來估算：

其中A為所需精度，取LSB的小數(shù)部分；t為所需的建立時間(秒)；n為ADC的位數(shù)(16)；RT為ADC的輸入電阻和外部等效電阻的總和；Cs為采樣電容。

2．4 校準

模／數(shù)轉(zhuǎn)換器在生產(chǎn)廠已經(jīng)通過非線性、零點偏移和增益誤差校準，但也能在系統(tǒng)中單獨對ADC0和ADC1的這些參數(shù)分別進行校準。校準是通過ADC0型和ADC1型配置寄存器的相應位來進行的，校準參數(shù)可用ADC校準指示寄存器(ADC0CPT)和ADC校準參數(shù)寄存器(ADC0CCF)讀寫，ADC0CFF的CPTR位用于ADC0CCF讀寫特定的校準參數(shù)。一般情況下，不必再進行非線性校正，若要進行這種校正，將ADCnLCAL位置1即可啟動，校正完成后，由硬件對ADCnLCAL位置0 ，校正參數(shù)存放在修正單元中。進行零點和增益校準時，可以使用內(nèi)部或外部的電壓源作為校準源，由ADCnSCAL位來設(shè)定。為了保證精度，建議先進行零點校準，后進行增益校準，零點校準可由ADCnOCAL位的置1采啟動，校準完成后，由硬件對ADCnOCAL位置0，零點校準可以補償?shù)钠普`差為滿量程的±3．125％，偏移值在ADC的數(shù)字化之前加到AINnG輸入中；增益校準可通過將ADCnGCAL位的置l來啟動，校準完成后，由硬件對ADCnGCAL位置0，增益校準可以補償?shù)姆蔷€性誤差約為±3．125％，增益值加到ADC的VREF通路中，用以改變轉(zhuǎn)換器傳遞函數(shù)的斜率。

2．5 可編程窗口檢測器

ADC0有一個可編程窗口檢測器，它能連續(xù)地將ADC0的輸出與用戶設(shè)定的限位值進行比較，并監(jiān)測系統(tǒng)的超值條件是否滿足。這一點在中斷觸發(fā)系統(tǒng)中特別有用，既可以節(jié)約代碼空間和CPU的占用帶寬，又能提供快速的響應時間。窗口檢測器的中斷標志也可用于查詢方式，該標志即特殊功能寄存器(ADC0CN)中的AD0INT位。參考字的高低字節(jié)被分別裝入ADC下限(大于)和上限(小于)寄存器(ADC0GTH／ADC0GTL和ADC0LTH／ADC0LTL)中。單端和差分方式都可以使用窗口檢測器，在單端方式中，窗口檢測器對寄存器(ADC0GTx／ADC0LTx)與ADC0的輸出進行比較，而差分方式是將ADC0和ADC1的組合輸出用于比較。應該注意，窗口檢測器標志可以在監(jiān)測到數(shù)據(jù)落在設(shè)定的限位值之內(nèi)或之外時置位或復位，這取決于對寄存器(ADC0GTx和ADC0LTx)的編程。

3 應用舉例

圖2所示是一個微型彈簧自動測試分選系統(tǒng)的原理框圖，單片機(C8051F060)是該系統(tǒng)的控制中心，通過12位DAC的輸出產(chǎn)生一個直流電壓，送到加力器，加力器將使彈簧產(chǎn)生變形位移，由位移傳感器測出位移量，傳感器的輸出電壓送到Ain輸入端，經(jīng)過16位A／D轉(zhuǎn)換得到位移量，根據(jù)物理學胡克定理公式：F=-kS，單片機即可計算出彈簧的彈性系數(shù)k值。圖中，LED陣列用于不同k值的指示，由于C8051F060型單片機有多達59個數(shù)字I／O口，所以，液晶顯示LCD接口。LED指示矩陣接口及鍵盤掃描接口等，均不需要太多的外擴電路，簡化了系統(tǒng)，提高了可靠性。

4 結(jié)束語

近年來，隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的不斷發(fā)展，混合信號單片機的模擬接口性能進一步提高，特別是ADC的功能更加完善，精度從10位、12位、直到16位甚至24位，但綜合考慮采樣速度等因素，C8051F06X系列單片機以16位精度和1 MS／s的采樣速度，以及其他靈活多樣的可配置功能，成為目前屈指可數(shù)的片上系統(tǒng)混合信號單片機?？梢灶A見，該系列單片機必將在數(shù)據(jù)采集及智能化儀器儀表等方面得到廣泛的應用。