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(gè)ADC單元配備4個(gè)數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器是具有22個(gè)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(qǐng)參見《RA6T2硬件用戶手冊(cè)》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(huì)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(huì)輸出計(jì)算結(jié)果，并將其發(fā)送到下一個(gè)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(duì)一個(gè)模擬通道進(jìn)行過采樣。每次執(zhí)行過采樣時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)會(huì)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(huì)從濾波器輸出計(jì)算結(jié)果，并將其發(fā)送到下一個(gè)數(shù)據(jù)處理步驟。

將A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出到下一個(gè)數(shù)據(jù)處理步驟后，會(huì)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(jì)算功能，則在收集到計(jì)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(jì)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(shí)使用多個(gè)數(shù)字濾波器電路并行處理最多四個(gè)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(shí)，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)會(huì)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(huì)從濾波器輸出計(jì)算結(jié)果，并將其發(fā)送到下一個(gè)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(shí)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(huì)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(shí)都會(huì)輸出一個(gè)新的計(jì)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(tái)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(tái)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(tái)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(shí)序注意事項(xiàng)

本節(jié)將重點(diǎn)介紹有關(guān)操作ADC單元的幾個(gè)時(shí)序注意事項(xiàng)。

2.3.1 采樣率計(jì)算

對(duì)外部輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，所需的采樣時(shí)間取決于A/D轉(zhuǎn)換器中的采樣電容的充電時(shí)間。電路的簡(jiǎn)化模型如圖12所示。采樣時(shí)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(jì)采樣時(shí)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(hào)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(gè)LSB）（1/4、1/2、1、2或4個(gè)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(jiǎn)化電路模型和電容充電的采樣時(shí)間曲線

在給定的等式中，時(shí)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(shí)間來估算的。

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

2.3.1.1 16位轉(zhuǎn)換方法注意事項(xiàng)

對(duì)于16位轉(zhuǎn)換方法，其模擬輸入信號(hào)頻率的最大范圍計(jì)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(shí)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(jì)算示例：

如果轉(zhuǎn)換時(shí)間為1460ns，則需要至少1個(gè)20ns的額外周期以對(duì)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(shí)鐘速率

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

圖13. ADC外設(shè)的簡(jiǎn)化時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

ADCLK由時(shí)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(shí)應(yīng)確保PCLKA ≥ ADCLK。此外，還應(yīng)在《硬件用戶手冊(cè)》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。