單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換時(shí)間的理論推算與測量

轉(zhuǎn)自 | 瑞薩嵌入式小百科

AD轉(zhuǎn)換時(shí)間指的是完成一次AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，即從啟動(dòng)信號(hào)開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出量所需要的時(shí)間。

不知道大家平時(shí)使用ADC有沒有關(guān)注轉(zhuǎn)換時(shí)間的問題，這里結(jié)合瑞薩單片機(jī)為例給大家講述一下AD轉(zhuǎn)換時(shí)間的理論推算與測量。

從RA2L1硬件手冊(cè)（R01UH0853EJ0130）第1067頁的電氣特性“Table 41.35 A/D conversion characteristics (1) in high-speed A/D conversion mode (2 of 2) ”中的內(nèi)容，看到RA2L1的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間在對(duì)應(yīng)的測試條件下最小值為0.67us。

那么如果用戶測試AD轉(zhuǎn)換時(shí)間，是否能得到跟硬件手冊(cè)中電氣特性的最小AD conversion time (0.67us) 一樣的結(jié)果呢？

基于上述問題，我們從理論和實(shí)際兩方面做了分析和測試。

理論分析

首先，基于RA2L1硬件手冊(cè)中Figure 30.25和Figure 30.26, 單次掃描模式下所選通道數(shù)為n的掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間（tSCAN）可按如下方式確定：

tSCAN = tD + tDIS × n + tDIAG + tED + tCONV × n

tSCAN: 掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間

tD: 開始掃描延遲時(shí)間

tDIS: 斷線檢測輔助處理時(shí)間

tDIAG 和 tDSD: 自診斷A/D轉(zhuǎn)換處理時(shí)間

tCONV: A/D轉(zhuǎn)換處理時(shí)間

tED: 結(jié)束掃描延遲時(shí)間

另外，參考“Table 41.35 A/D conversion characteristics (1) in high-speed A/D conversion mode (2 of 2) ”中Note 1的內(nèi)容，轉(zhuǎn)換時(shí)間是采樣時(shí)間和比較時(shí)間的總和。也就是說，這里的轉(zhuǎn)換時(shí)間指的僅僅是tCONV，而并非掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間tSCAN。測試的話測量的是掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以不能以“最小0.67us” 這個(gè)數(shù)值作為參考。

接下來，我們先從理論上計(jì)算一下如何獲得掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間的最小值。參考RA2L1硬件手冊(cè)，選取公式中每一項(xiàng)的最小值和其對(duì)應(yīng)的條件。

tSCAN = tD + tDIS × n + tDIAG + tED + tCONV × n

tD = 2 PCLKB + 4 ADCLK: All other, Synchronous trigger. But this does not include the time consumed in the path from timer output to trigger input.

tDIS = 0: Setting in ADNDIS[3:0] (initial value = 0x00) × ADCLK

tDIAG = 0: DIAGST[1:0] = 00 (Self-diagnosis not executed after power-on.)

tCONV = 0.67us：Operation at PCLKD = 48 MHz, High-precision channel, ADCSR.ADHSC = 0, ADSSTRn.SST[7:0] = 0x0A, ADACSR.ADSAC = 1

tED = 2 PCLKB + 3 ADCLK: PCLKB to ADCLK frequency ratio = 1:2

從而確定測試條件為：PCLKD (ADCLK) = 48MHz、PCLKB = 24MHz（PCLKB不能超過32MHz）、快速轉(zhuǎn)換模式、高速A/D轉(zhuǎn)換模式、AN000（高精度通道）、不使用自診斷。

基于以上測試條件，計(jì)算AD掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間的理論值為：

實(shí)際測試

對(duì)照著AD掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間的理論值為0.90us，進(jìn)行了以下3個(gè)測試：

1使用GPT+ELC+ADC+中斷方式進(jìn)行測試

● GPT：設(shè)置周期為50ms，允許GTIOC0A輸出

● ELC：設(shè)置GPT的計(jì)數(shù)值發(fā)生Overflow時(shí)觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換

● ADC：設(shè)置為Single Scan模式，選擇Channel 0，允許掃描完成時(shí)產(chǎn)生中斷，在中斷Callback函數(shù)中翻轉(zhuǎn)端口（P301：H→L）

通過以上波形，可以得到實(shí)際測試結(jié)果為7.31us。根據(jù)測試情況進(jìn)行分析，這個(gè)時(shí)間包括了中斷響應(yīng)時(shí)間和端口執(zhí)行時(shí)間。

采用在中斷中翻轉(zhuǎn)端口測量ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間，結(jié)果較理論值長很多，接下來使用DTC來翻轉(zhuǎn)端口。

2使用GPT+ELC+ADC+DTC方式進(jìn)行測試

● GPT：設(shè)置周期為50ms，允許GTIOC0A輸出

● ELC：設(shè)置GPT的計(jì)數(shù)值發(fā)生Overflow時(shí)觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換

● ADC：設(shè)置為Single Scan模式，選擇Channel 0，允許掃描完成時(shí)產(chǎn)生中斷

● DTC：觸發(fā)源為每次ADC掃描結(jié)束，進(jìn)行DTC傳送，即翻轉(zhuǎn)IO口（P301：H→L）

通過以上波形，可以得到實(shí)際測量結(jié)果為1.36us （VS理論值0.67us）。根據(jù)測試情況進(jìn)行分析，這個(gè)時(shí)間包括DTC的響應(yīng)時(shí)間和端口執(zhí)行時(shí)間。

單獨(dú)測試端口執(zhí)行時(shí)間，大概為0.21us。

采用單次轉(zhuǎn)換測量ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間，結(jié)果較理論值偏長，接下來使用多次轉(zhuǎn)換測量總時(shí)間，用來消除端口翻轉(zhuǎn)時(shí)間的影響。

3使用GPT+ELC+ADC+DTC方式（500次）進(jìn)行測試

● GPT：設(shè)置周期為50ms，允許GTIOC0A輸出

● ELC：設(shè)置GPT的計(jì)數(shù)值發(fā)生Overflow時(shí)觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換

● ADC：設(shè)置為Continuous Scan模式，選擇Channel 0，允許掃描完成時(shí)產(chǎn)生中斷

● DTC：觸發(fā)源為每次ADC掃描結(jié)束，進(jìn)行一次DTC傳送，500次傳送后，在中斷Callback函數(shù)中，翻轉(zhuǎn)IO口（P301：H→L）

通過以上波形，可以得到實(shí)際測量結(jié)果為337.31us/500 = 0.67us (=理論值）。根據(jù)測試情況進(jìn)行分析，這個(gè)時(shí)間包括DTC的響應(yīng)時(shí)間、中斷響應(yīng)時(shí)間和端口執(zhí)行時(shí)間。

這個(gè)測試結(jié)果和理論值相符，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間還包括DTC的響應(yīng)時(shí)間、中斷響應(yīng)時(shí)間和端口執(zhí)行時(shí)間，所以可以推斷實(shí)際測量結(jié)果優(yōu)于電氣特性中內(nèi)容。

最后，總結(jié)一下AD轉(zhuǎn)換時(shí)間的計(jì)算和測量。

● 手冊(cè)中的“0.67 μs/channel”僅僅是采樣時(shí)間和比較時(shí)間的總和，并非一個(gè)通道的全部掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間。

● 在實(shí)測③的情況下，我們可以得到比較理想并且合理的結(jié)果，一次AD掃描轉(zhuǎn)換時(shí)間大概為0.67us。

● 使用FSP自動(dòng)生成代碼的情況下，中斷響應(yīng)時(shí)間是比較長的，所以建議采用DTC傳送數(shù)據(jù)，或者客戶采用自己的ADC中斷響應(yīng)函數(shù)。