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奄艮孟
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MSP430F2 系列 16 位超低功耗单片机模块原理第 17 章 SD16_A 16 位 Σ-Δ 模数转换器版本 : 1.3 日期 : 2007.5. 原文 : TI MSP430x2xxfamily.

1 MSP430F2 系列 16 位超低功耗单片机模块原理第 17 章 SD16_A 16 位 Σ-Δ 模数转换器版本 : 1.3 日期 : 原文 : TI MSP430x2xxfamily.pdf 翻译 : 李璘中国计量学院编辑 : DC 微控技术论坛版主注 : 以下文章是翻译 TI MSP430x2xxfamily.pdf 文件中的部分内容由于我们翻译水平有限, 有整理过程中难免有所不足或错误 ; 所以以下内容只供参考. 一切以原文为准详情请密切留意微控技术论坛 Page 1 of 17

2 第十七章 SD16_A SD16_A 是一个 16 位的 Σ-Δ 模数转换器, 它具有高阻抗的输入缓冲本章介绍了 SD16_A 模块, 它在 MSP430x20x3 中才有本章内容 17.1 SD16_A 介绍 SD16_A 操作 SD16_A 寄存器 SD16_A 介绍 MSP430x20x3 模块由一个 Σ-Δ 模数转换器组成, 带有高阻抗输入缓冲和内部参考电压功能它拥有多达 8 个的差分式复合输入, 并包含一个内置的温度传感器该 ADC 是基于二阶过采样的 Σ-Δ 调节器和数字抽取滤波器这种抽取滤波器是一种梳状滤波器, 它的过采样率是可选择的, 最高可以达到 1024 如果要进行额外的滤波, 可以用软件实现 MSP430x20x3 不包含高阻抗输入功能 SD16_A 的特点包括 : 16 位的 Σ-Δ 结构每通道高达 8 个复用的差分信号输入可用软件选择的片内参考电压发生器 (1.2V) 可用软件选择的内部或外部参考电压内置温度传感器高达 1.1MHZ 的调节器输入频率高阻抗输入缓冲可用软件选择的第功耗转换模式 SD16A 的模块结构图如图 17-1 Page 2 of 17

3 图 17-1 SD16_A 结构图 17.2 SD16_A 操作 SD16_A 模块可以用软件进行配置 SD16_A 的设置在以下章节详细阐述 ADC 内核模数转换是由一个 1 位 2 次的 sigma-delta 调节器实现的调节器中的一个位比较器通过调节器频率 fm 量化输入信号, 所产生的 1 位数据流由数字滤波器平均分配作为转化结果模拟输入范围和 PGA 各模拟通道的全程输入电压范围由各通道的可编程放大器增益来决定全程最大范围是 VFSR, 这里 VFSR 由以下公式决定 : VREF /2 VFSR = GAIN PGA Page 3 of 17

4 对于 1.2V 的参考电压, 在增益为 1 时, 最大全程输入范围为 1.2 V /2 ± VFSR = =± 0.6V 1 具体各器件的全程电压范围见器件手册参考电压发生器 SD16_A 模块有一个 1.2v 的内置参考电压, 可以通过 SD16REFON 位来启动它的使用当使用内部参考电压, 并用一个 100nF 的电容外接在 VREF to AVSS 之间时, 可以抑制噪声当 SD16VMIDON = 1 时, 内部参考电压可以脱离芯片接到外面来用, 缓冲输出可以达到 1mA 当将内部参考电压脱离芯片时, 需要在 VREF to AVSS 之间接一个 470nF 的电容, 详细参数见器件手册当 SD16REFON 和 SD16VMIDON 都复位时, 外部电压可以作为 VREF 的输入自动关闭电源功能 SD16_A 是为低功耗应用而设计的, 当它不进行转换时, 就会自动关闭, 而当转换开始时又自动启动参考电压不会自动禁止, 但是可以将 SD16REFON = 0 来关闭当 SD16_A 或参考电压禁止时, 就可以减少电流消耗通道选择 SD16_A 最多可以将 8 个复用差分输入转换到 PGA 器件上最多有 5 个输入通道,A5 通过通道复用可以作为一个抗性隔离器用于检测供电电压,A6 为内部的温度传感器,A7 为输入 + 和 - 之间的短路连接, 可以用于校准 SD16A 的输入级补偿模拟输入设置模拟输入由 SD16INCTL0 和 SD16AE 寄存器来配置 SD16INCHx 位选择 8 个不同差分输入中的一个作为输入 PGA 的增益由 SD16GAINx 来决定, 一共有 6 个增益可供用户选择 SD16AEx 位用于禁止或允许模拟输入引脚对 SD16AEx 位的设置可以禁止相应脚的复用数字电路, 具体参数见芯片手册在转换过程中, 对 SD16INCHx 和 SD16GAINx 位的任何修改都会在下一个数字滤波器的采样周期生效由于数字滤波器的延迟, 在这些位被修改之后的 3 次转换可能会无效, 这由 SD16INTDLYx 位来决定如果 SD16INTDLY = 00h, 在转换开始条件后, 转换中断请求在第 4 次转换时才响应高阻抗输入缓冲可以通过 SD16BUFx 位来配置设置的速度由 SD16A 调节器的频率来决定, 如表 17-1 表高输入阻抗缓冲器 SD16BUFx 缓冲器 SD16 频率 fm 00 缓冲器禁止 / 01 低速 / 电流 fm < 200kHz 10 中速 / 电流 200kHz < fm < 700kHz 11 高速 / 电流 700kHz < fm < 1.1MHz 电路上需要加 RC 反锯齿滤波器来防止输入信号失真调制器时钟 1MHZ 且 OSR=256 时, 截止频率应该 < 10 khz 在带宽要求较低的应用中, 截止频率可以配置为低频模拟输入特性 SD16_A 使用开关电容输入级, 对外部电路就如一个阻抗, 如图 17-2 图模拟输入等效电路 Page 4 of 17

5 VS+= 正外部电源电压 VS-= 负外部电源电压 RS= 外部源阻抗 CS= 采样电容器当使用缓冲器时,RS 不影响采样频率但当不使用缓冲器时, 或片内没有缓冲器时, 最大采样频率可以由采样电路的最小建立时间来计算 : V t ( 1 ) ( REF s RS + KΩ CS In ) GAIN 17 2 V Ax 1 AV 这里, CC fs = VAx = VS 2 t 2 CS 对增益的设置如表数字滤波器 s 表采样电容 PGA 增益 CS pf 2,4 2.5 pf 8 5 pf 16,32 10 pf 数字滤波器用 SINC 3 梳状滤波器来处理调制器的 1 位的数据流传递函数的 Z 变换为 : OSR 1 1 z 3 H( z) = ( ) 1 OSR 1 z 频域传递函数为 : Page 5 of 17

6 3 3 f f sin cosr ( π ) sin( OSR ) f π M 1 f M H( f) = = f f sin c( π ) OSR sin( π ) f M f M 这里过采样频率 OSR 是调制器频率 fm 与采样频率 fs 的比图 17-3 表示 OSR 为 32 时的滤波器频率响应第一个滤波器缺口是在 fs = fm/osr 处缺口频率可以通过位 SD16SSELx 和 SD16DIVx 改变调制器频率 fm 来调节, 过采样率用 SD16OSRx 和 SD16XOSR 位来改变每个使能的 ADC 通道的数字滤波器以采样频率 fs 完成数字位流的采样, 并输出新的转换结果到 SD16MEM0 寄存器图梳状滤波器的频率响应, with OSR = 32 图 17-4 表示滤波器的阶跃响应和转换点在开始转换后, 对于输入的步进变化, 必须在获得一个有效的转换结果之前允许一段建立时间 SD16INTDLYx 位可以为 ADC 的输入全程范围提供足够的滤波建立时间如果步进和数字滤波器的采样同时进行, 数据会在第 3 次转换时有效异步步进会在数据有效之前多一次转换 Page 6 of 17

7 图数字滤波器阶跃响应和转换点数字滤波器输出数字滤波器输出的位数由过采样率决定, 范围为位图 17-5 表示数字滤波器输出和在每个 OSR,LSBACC, 和 SD16UNI 下, 他们与 SD16MEM0 的关系例如, 对于 OSR=1024,LSBACC =0, 和 SD16UNI = 1,SD16MEM0 寄存器包含了数字滤波器输出的第位 OSR= 32, 1 个 (SD16UNI = 0) 或 2 个 (SD16UNI=1)LSB 一般为 0 SD16LSBACC 和 SD16LSBTOG 位允许访问数字滤波器的 LSB 当 SD16LSBACC = 1 时, 数字滤波器的低 16 位可以用字指令从 SD16MEM0 读出 SD16MEM0 寄存器也可以通过字节指令访问, 但是只返回数字滤波器的低 8 位当 SD16LSBTOG = 1 时,SD16LSBACC 位在 SD16MEM0 被读取后自动翻转, 这就让数字滤波器的输出结果可以通过 2 次读取 SD16MEM0 来完成在下一次 SD16MEM0 访问前,SD16LSBTOG 的置位或复位并不改变 SD16LSBACC 的值 Page 7 of 17

8 图数字滤波器的输出使用位 Page 8 of 17

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10 转换存储寄存器 : SD16MEM0 SD16MEM0 寄存器和 SD16A 的通道相关联转换结果随着每个数字滤波器的采样步进转移到 SD16MEM0 当新数据写入 SD16MEM0 时,SD16IFG 位置位当 SD16MEM0 被 CPU 读取或被软件清除时, SD16IFG 自动清 0 输出数据格式输出的数据格式可配置为 2 的补码补偿二进制或单级模式, 如表 17-1 数据格式由 SD16DF 和 SD16UNI 位来选择表数据格式 SD16UNI SD16DF 格式模拟输入 SD16MEM0 数字滤波器输出 (OSR=256) +FSR FFFF FFFFFF 0 0 双级补偿二进制 ZERO FSR FSR 7FFF 7FFFFF 0 1 双级二进制补码 ZERO FSR FSR FFFF FFFFFF 1 0 单级模式 ZERO FSR 不受 SD16OSRx 和 SD16XOSR 设置的影响 ; SD16LSBACC = 0. 图 17 6 表示全程输入电压范围 ( VFSR 到 +VFSR) 和转换结果之间的关系数据形式如图所示图输入电压对数字输出双级输出 : 补偿二进制双级输出 :2 的补码单级输出转换模式 SD16_A 模块可以配置为 2 个操作模式, 如表 17-4 所列,SD16SNGL 位可以选择转换模式表转换模式摘要 SD16SNGL 模式操作 1 单次转换该通道只进行一次转换 0 连续转换该通道进行连续转换 Page 10 of 17

11 单次转换当 SD16SNGL = 1 时, 设置某通道的 SD16SC 位会初始化为单次转换 SD16SC 位在转换结束后会自动清零在转换完成之前清除 SD16SC 会立即停止该通道的转换, 且该通道会关闭并相应的数字滤波器也会关闭 SD16MEM0 的值在 SD16SC 清除时会改变因此建议在 SD16MEM0 在清除 SD16SC 前读取, 以避免读到一个无效的结果连续转换当 SD16SNGL = 0 时, 选择连续转换模式当 SD16SC 置位时, 该通道的转换开始, 并连续执行直到 SD16SC 位由软件清除清除 SD16SC 会立刻停止所选通道的转换, 且该通道会关闭并相应的数字滤波器也会关闭 SD16MEM0 的值在 SD16SC 清除时会改变因此建议在 SD16MEM0 在清除 SD16SC 前读取, 以避免读到一个无效的结果图 17 7 表示转换操作模式图单通道操作模式使用集成温度传感器选择模拟输入通道 SD16INCHx=110 和 SD16REFON = 1, 就可以使用片内温度传感器了任何其他的配置和选择外部通道的配置操作都一样, 包括 SD16INTDLYx 和 SD16GAINx 的设置因为内部参考电压在使用温度传感器时必须打开, 因此不能使用外部参考电压作为温度传感器的电压转换并且, 内部参考电压会和外部参考电压产生竞争在这种情况下,SD16VMIDON 位可以设置为在转换中最小化竞争的影响典型的温度传感器传递函数如图 17-8, 当 SD16A 的一个通道选择为温度传感器时, 必须使用 SD16INTDLYx 做适当的延时, 以允许数字滤波器的建立和保证转换结果的正确性温度传感器误差补偿可以被放大, 并可以在大多数应用中被校准详细参数见器件手册 Page 11 of 17

12 图典型的温度传感器传递函数中断操作 SD16_A 有 2 个中断源 : SD16IFG SD16OVIFG 当 SD16MEM0 寄存器写入转换结果时,SD16IFG=1 如果相应的 SD16IE 位和 GIE 都为 1 时, 就会产生一个中断请求如果前一个结果没有被读取, 而此时新的转换结果写入 SD16MEM0 时,SD16A 就产生一个溢出条件 SD16IV, 中断向量发生器所有的 SD16_A 中断源是有优先级的, 并共用一个中断向量 SD16IV 用于确定是 SD16A 的哪一个中断被允许了 SD16A 的最高优先级中断请求在 SD16IV 中产生一个数字 ( 见寄存器描述 ), 这个数字是一个可以被估计的数字, 或可以和程序计数器相加以实现软件子程序的自动进入禁止 SD16A 的中断并不影响 SD16IV 的值对 SD16IV 的读写不会影响 SD16OVIFG 或 SD16IFG 的值 SD16IFG 在 SD16MEM0 被读取或软件清除后立即复位 SD16OVIFG 只能由软件复位如果在一个中断的服务子程序进入后, 另一个中断挂起, 就会产生另外一个中断例如, 如果当中断服务子程序访问 SD16IV 时,SD16OVIFG 和一个或多个 SD16IFG 中断被挂起, 首先响应 SD16OVIFG 中断, 并且相应的标志位必须用软件清除在中断子程序的 RETI 指令执行完后, 执行挂起的 SD16IFG 中最高优先级的中断请求 Page 12 of 17

13 中断延时操作 SD16INTDLYx 位控制相应通道的第一次中断服务请求的时序在一次完整的转换中, 最多有 4 个转换周期来实现中断请求的延时, 以便数字滤波器建立优先级来产生一次中断请求延时在每次 SD16SC 置位或当 SD16GAINx 或 SD16INCHx 位被修改时发生 SD16INTDLYx 所选择的延时周期数会禁止溢出中断的产生被延时的转换的中断请求在延时期间不会产生中断 17.3 SD16_A 寄存器 SD16_A 寄存器列表如表 17 5: 表 17 5.SD16_A 寄存器寄存器简写寄存器类型地址初始化状态 SD16_A 控制寄存器 SD16CTL 读写 0100h PUC 复位 SD16_A 中断向量寄存器 SD16IV 读写 0110h PUC 复位 SD16_A 通道 0 控制寄存器 SD16CCTL0 读写 0102h PUC 复位 SD16_A 转换存储器 SD16MEM0 读写 0112h PUC 复位 SD16_A 输入控制寄存器 SD16INCTL0 读写 0B0h PUC 复位 SD16_A 模拟允许寄存器 SD16AE 读写 0B7h PUC 复位 SD16CTL, SD16_A 控制寄存器保留位保留位 SD16XDIVx 11-9 SD16_A 时钟分频 000 /1 001 /3 010 / /48 1xx 保留 SD16LP 8 低功耗模式, 该位选择一个低速, 低功耗模式 0 低功耗模式禁止 1 低功耗模式允许,SD16_A 的最大时钟频率降低 SD16DIVx 7-6 SD16A 分频器 00 /1 01 /2 10 /4 11 /8 Page 13 of 17

14 SD16SSEL 5-4 SD16_A 时钟源选择 00 MCLK 01 SMCLK 10 ACLK 11 外部的 TACLK SD16VMIDON Bit 3 VMID 缓冲打开 0 关闭 1 打开 SD16REFON Bit 2 参考电压控制 0 参考电压打开 1 参考电压关闭 SD16OVIE 1 SD16_A 溢出中断允许,GIE 如果为 1, 可以允许该中断 0 溢出中断允许 1 溢出中断禁止 Reserved 0 保留位 SD16CCTL0, SD16_A 控制寄存器 0 在 MSP430x20x3 devices 中不存在 Reserved 15 保留位 SD16BUFx 高阻抗输入缓冲模式 00 缓冲允许 01 低速 / 电流 10 中速 / 电流 11 高速 / 电流 SD16UNI 12 单级模式选择 0 双级模式 1 单级模式 SD16XOSR 11 扩展过采样率, 该位和 SD16OSRx 一起选择过采样率, 见 SD16OSRx 位的设置描述 SD16SNGL 10 单次转换模式选择 0 连续转换模式 1 单次转换模式 SD16OSRx 9-8 过采样率位 SD16XOSR = 0 SD16XOSR = 1 Page 14 of 17

15 Reserved 11 Reserved SD16LSBTOG 7 LSB 翻转, 该位为 1 时, 使 SD16LSBACC 在每次 SD16MEM0 读取时翻转 0 SD16LSBACC 在每次 SD16MEM0 读取时不翻转 1 SD16LSBACC 在每次 SD16MEM0 读取时翻转 SD16LSBACC 6 LSB 访问该位允许防问 SD16_A 的高或低 16 位结果 0 SD16MEMx 的内容是转换结果的 MSB 1 SD16MEMx 的内容是转换结果的 LSB SD16OVIFG 5 SD16_A 溢出中断标志 0 没有溢出中断挂起 1 有溢出中断挂起 SD16DF 4 SD16_A 数据格式 0 补偿二进制 1 2 的补码 SD16IE 3 SD16_A 中断允许 0 禁止 1 使能 SD16IFG 2 SD16_A 中断标志当新的转换结果有效时 SD16IFG 置位当相应的 SD16MEMx 寄存器被读取或被软件清零时,SD16IFG 自动复位 0 没有中断挂起 1 有中断挂起 SD16SC 1 SD16_A 开始转换 0 没有转换开始 1 开始转换 Reserved 0 保留 SD16INCTL0, SD16_A 输入控制寄存器 SD16INTDLYx 7-6 在转换开始时, 产生中断延迟这些位选择在转换开始时, 第一次中断的延迟 00 第 4 次采样发生中断 01 第 3 次采样发生中断 10 第 2 次采样发生中断 11 第 1 次采样发生中断 SD16GAINx 5-3 SD16_A 预放大增益 000 x1 001 x2 010 x4 011 x8 100 x x32 Page 15 of 17

16 SD16INCHx 110 保留 111 保留 2-0 SD16_A 通道差分输入 000 A0 001 A1 010 A2 011 A3 100 A4 101 A5 (AVCC AVSS) / A6- 温度传感器 111 A7- PGA 短路补偿测量 SD16MEM0, SD16_A 转换存储寄存器 Conversion Result 15-0 转换结果 SD16MEMx 寄存器保持数字滤波器输出的高或低 16 位结果, 这由 SD16LSBACC 位来决定 SD16AE, SD16_A 模拟输入允许寄存器 SD16AEx 7-0 SD16_A 模拟输入允许 0 外部输入禁止反向输入在内部接到 VSS. 1 外部输入使能 SD16IV, SD16_A 中断向量寄存器 Page 16 of 17

17 SD16IVx 15-0 SD16_A 中断向量值 SD16IV 的内容中断源中断标志中断优先级 000h 没有中断挂起 002h SD16MEMx 溢出 SD16CCTLx SD16OVIFG 最高 004h SD16A 中断 SD16CCTL0 SD16IFG 006h 保留 - 008h 保留 - 00Ah 保留 - 00Ch 保留 - 00Eh 保留 - 010h 保留 - 最低 MSP430F22x4 评估板专业提供 MSP430 单片机开发工具 Page 17 of 17

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MSP430F KB+256B flash 10KB RAM 64 Quad Flat Pack QFP MSP430x1xx SLAU049 MSP430 MSP RISC CPU 16 DCO 6 MSP430x15x/16x/161x A/D 12 D/A MSP430x15x, MSP430x16x MSP430x161x 1.8V 3.6V 1MHz 2.2V 280 A 1.6 A RAM 0.1 A 6 S 16 125 DMA 12 A/D 12 D/A / 16 A / 16 B USART1 UART SPI USART0 UART SPI I 2 C / Bootstrap Loader MSP430F155: 16KB+256B flash