1 引言

　　在混合信號(hào)單片機(jī)中,，美國(guó)Cygnal公司新推出的C8051F06X系列高集成度混合信號(hào)單片機(jī)可謂一枝獨(dú)秀,。C8051F06X是高度集成的片上系統(tǒng)單片機(jī),，它有多達(dá)59個(gè)數(shù)字I／O口，采用與8051兼容的內(nèi)核CIP-51,，速度高達(dá)25MI／s,。該系列單片機(jī)有C8051F060／2型和C8051F061／3型，與同家族的其他單片機(jī)相比,，其模擬外設(shè)性能優(yōu)異,，除有一個(gè)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(dá)1 MS／s的16位ADC,，兩路12位DAC,，3個(gè)電壓比較器，1個(gè)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(gè)可編程窗口檢測(cè)器,、一個(gè)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(cè)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(dú)設(shè)置，如圖1所示,。顯然,，轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式靈活，軟件事件,、外部硬件信號(hào)和周期性的定時(shí)溢出都能用作觸發(fā)信號(hào),，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(dú)立工作，也可以設(shè)置為互相配合接收差分輸入信號(hào),。采用單端輸入方式時(shí),，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(shí),，ADC1服從于ADC0，除零點(diǎn)和增益校準(zhǔn)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(shí),，輸入到ADC的是一個(gè)偽差分信號(hào),，每個(gè)ADC的實(shí)際測(cè)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(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微小的負(fù)向偏置,，建議用內(nèi)部的校準(zhǔn)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(yīng)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(gè)獨(dú)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(gè)緩沖放大器將其放大2倍，其最大負(fù)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(gè)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(dāng)禁止時(shí),，內(nèi)部參考電壓電路的耗電量為1μA,，緩沖放大器呈高阻抗?fàn)顟B(tài)；當(dāng)使用內(nèi)部參考電壓源時(shí),，這兩個(gè)控制位均須置l,；當(dāng)使用外部參考電壓源時(shí)，控制位REFBEn應(yīng)置0,。應(yīng)該注意,，不論使用何種參考電壓源，當(dāng)使用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí),，BIASEn位必須置1,，不使用模／數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)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(dòng)方式

　　對(duì)于ADC0,，模／數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)方法有4種，由ADC0CN型寄存器中的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式位AD0CMl／AD0CM0決定,，這4種方式分別是給ADC0CN的AD0BUSY位寫1,；定時(shí)器2的溢出；定時(shí)器3的溢出,；檢測(cè)到外部ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)CNVSTR0的上跳沿,。對(duì)于ADC1，模／數(shù)轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)方法有5種,，由寄存器ADC1CN中的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式位AdlCM12-AD1CM0決定,，這5種方式分別是給ADC1CN的AD1BUSY位寫l；定時(shí)器2的溢出,；定時(shí)器3的溢出,；檢測(cè)到外部ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)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(hào)的下降沿將觸發(fā)中斷,，并置位ADnINT的中斷標(biāo)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(dāng)用給ADC0CN的AD0BUSY位寫1的方法啟動(dòng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí),，應(yīng)該查詢ADnINT位，以便確定模／數(shù)轉(zhuǎn)換何時(shí)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(dāng)在差分方式且以外部信號(hào)啟動(dòng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)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(dòng),，其輸入將被連續(xù)采樣，而這時(shí)轉(zhuǎn)換尚未開始,，當(dāng)AdnTM位為1,，轉(zhuǎn)換開始進(jìn)行，一個(gè)采樣周期由18個(gè)SAR時(shí)鐘組成,。當(dāng)用CNVSTRn信號(hào)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，ADC一直采樣,，直到引腳CNVSTRn上出現(xiàn)一個(gè)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(shí),，滿足必要的建立時(shí)間,。

　　2．3．3 建立時(shí)間

　　如果ADC的輸入為高速快變信號(hào)，如外部多路選擇器的切換或其他跳變信號(hào),，則在進(jìn)行轉(zhuǎn)換之前需要一個(gè)最小跟隨時(shí)間,，這個(gè)時(shí)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(shí)間常數(shù)對(duì)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(shí)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(shí)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(zhǔn)

　　模／數(shù)轉(zhuǎn)換器在生產(chǎn)廠已經(jīng)通過非線性,、零點(diǎn)偏移和增益誤差校準(zhǔn),，但也能在系統(tǒng)中單獨(dú)對(duì)ADC0和ADC1的這些參數(shù)分別進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是通過ADC0型和ADC1型配置寄存器的相應(yīng)位來進(jìn)行的,，校準(zhǔn)參數(shù)可用ADC校準(zhǔn)指示寄存器(ADC0CPT)和ADC校準(zhǔn)參數(shù)寄存器(ADC0CCF)讀寫,，ADC0CFF的CPTR位用于ADC0CCF讀寫特定的校準(zhǔn)參數(shù)。一般情況下,，不必再進(jìn)行非線性校正,，若要進(jìn)行這種校正，將ADCnLCAL位置1即可啟動(dòng),，校正完成后,，由硬件對(duì)ADCnLCAL位置0 ，校正參數(shù)存放在修正單元中,。進(jìn)行零點(diǎn)和增益校準(zhǔn)時(shí),，可以使用內(nèi)部或外部的電壓源作為校準(zhǔn)源,，由ADCnSCAL位來設(shè)定。為了保證精度,，建議先進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn),，后進(jìn)行增益校準(zhǔn)，零點(diǎn)校準(zhǔn)可由ADCnOCAL位的置1采啟動(dòng),，校準(zhǔn)完成后,，由硬件對(duì)ADCnOCAL位置0，零點(diǎn)校準(zhǔn)可以補(bǔ)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(zhǔn)可通過將ADCnGCAL位的置l來啟動(dòng)，校準(zhǔn)完成后,，由硬件對(duì)ADCnGCAL位置0,，增益校準(zhǔn)可以補(bǔ)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(cè)器

　　ADC0有一個(gè)可編程窗口檢測(cè)器，它能連續(xù)地將ADC0的輸出與用戶設(shè)定的限位值進(jìn)行比較,，并監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的超值條件是否滿足,。這一點(diǎn)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(yīng)時(shí)間,。窗口檢測(cè)器的中斷標(biāo)志也可用于查詢方式，該標(biāo)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(cè)器，在單端方式中,，窗口檢測(cè)器對(duì)寄存器(ADC0GTx／ADC0LTx)與ADC0的輸出進(jìn)行比較,，而差分方式是將ADC0和ADC1的組合輸出用于比較。應(yīng)該注意,，窗口檢測(cè)器標(biāo)志可以在監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)落在設(shè)定的限位值之內(nèi)或之外時(shí)置位或復(fù)位,，這取決于對(duì)寄存器(ADC0GTx和ADC0LTx)的編程。

　　3 應(yīng)用舉例

　　圖2所示是一個(gè)微型彈簧自動(dòng)測(cè)試分選系統(tǒng)的原理框圖,，單片機(jī)(C8051F060)是該系統(tǒng)的控制中心,，通過12位DAC的輸出產(chǎn)生一個(gè)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(cè)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(xué)胡克定理公式：F=-kS,，單片機(jī)即可計(jì)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(jī)有多達(dá)59個(gè)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(kuò)電路,，簡(jiǎn)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(hào)單片機(jī)的模擬接口性能進(jìn)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(jī)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(hào)單片機(jī)?？梢灶A(yù)見,，該系列單片機(jī)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(yīng)用。