TEXAS INSTRUMENTS TMS320F28xx Technical data

TMS320F28xx/28xxx DSCs

模拟接口设计综述

应用报告

ZHCA063–2008年5

月

摘要

本应用报告提供了一个

TMS320F28xx/28xxx

数字信号控制器的设计参考指南，主要内容有：模数转

换器的配置、设定相关的寄存器、响应对应的中断和电路板设计参考等。本指导书对于第一次接触

TMS320C2000™

数字信号处理器

(DSP)

，和很少使用模拟器件的软件工程师来说是很有用的。本指导书包含了许多系统设计时需要考虑的难点问题，主要有：采样频率的设定、高效地从数字信号变换到系统数据存储器的输入通道序列、输入驱动电路和滤波电路、电源供给和校准等。为了更好地利用数字信号控制器

(DSC)——TMS320F28xx/28xxxx

系列中的模数转换器

(ADC)

来进行设计，我们从不同文档中节选许多信息

编成方便的设计指南。相关的代码是在

F280x eZdsp™

开发板上运行的，这些代码也可以广泛作为使用此

ADC

新设计的软件框架。

在本指导书中涉及到的附属项目和源代码在下面的地址中都能下载

http://www-s.ti.com/sc/techlit/spraap6.zip

简介

模数转换模块的结构和描述

模数转换器的准备和运行

4 F2823x和F2833x

系列的

DMA

功能和校准功能

原理图和布线设计

模数转换器的校准

附加支持

参考文献

附录

A F280xx和F281x

的差异

Pradeep Shinde

图目录

模数转换器简化模块图

2 TMS320F280xx

芯片的模数转换器引脚连接原理图

模拟输入引脚的阻抗模式

(F280xx) 5

典型的模数转换器输入引脚缓冲/驱动电路

模数转换器的时钟级联

连续模式下的同步和采样频率

通过

PIE

多路使用模数转换器中断

简化的硬件状态机

地址控制器

设计例子

放置器件

设计例子2:走线/铺铜

模数转换器转换传递函数关系

表目录

A-1 F280xx 和 F281x

外设差异

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简介

TMS320F28x DSC’s

具有

16-

通道，

12-

位的模数转换器，可以让设计者像使用多种嵌入式设备一样，直接把

模拟信号连接到处理芯片上。在

TMS320F28xxDSCs

上，增强型

ADC

外设具有12位分辨率，并且能获得每秒

加速到

12.5兆(MSPS)

的采样速度（一般的芯片是

6.25 MSPS和 3.75 MSPS

），并且通过流水线结构可以监控

模拟信号（如图1）。另外的特性，例如16通道的多路复用、自动定序，双采样和保持

(S/H)

电路和多路中断表，这些都使得使用者在嵌入式控制和数据记录应用中非常方便。为了发挥外设接口的灵活性，必须正确配置

ADC

，可以通过建立和配置不同的电路得到具体的方法。为了实现最佳性能，必须理解和设置需要的采样

比、利用自动定序器来定位通道，同时进行中断配置以读取结果。本文已经包含了利用

DSP/BIOS™

的软件核

函数（TI为

TMS320™DSP

设计的实时操作系统）的方案，此指导书也讨论了电路板设计的一些问题和系统设

计时需要注意的事项。

TMS320F281x, TMS320F280xx, TMS320F2804x

和较新的

TMS320F2832x

系列上的

ADC

外设基本上具有

相同的结构，而

F280xx和F281x

系列芯片上

ADC

的外设在规格上，具有很少不同的参数，这些在附件A中

都有详细说明。本应用报告采用

F280xx

设备的信息，利用不同的图解走查了相关的设置。附属的代码也是

针对

F280xx

芯片的，但是也可以移植到

F281x

芯片上。更多的细节可以参考

数据转换手册

(SLAA013) [1]

和

TMS320F2809，TMS320F2808，TMS320F2806，TMS320F2802，TMS320F2801，TMS320C2802

，

TMS320C2801和TMS320F2801x DSP

数据手册

(SPRS230) [2]。

如果想得到更多组件信息和寄存器细节可以

参考

TMS320x280x, 2801x, 2804x

模数转换器（

ADC

）参考指南

(SPRU716) [4],

TMS320x2833x

模数转换器

模式

(ADC) Module

(SPRU812) [18]

和

TMS320x281x DSP

模数转换器参考指南

(SPRU060) [5].

更多关于系统

控制和中断参考的信息，可以参考

缓冲运算放大器到

ADC

电路集

(SLOA098) [6]

。

如果你对

ADC

的参数和术语不是很熟悉，那么参考

数字转换器

(SLAA013) [1]

。

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2 Architecture and Description of ADC Module

Ch�Set�(CONV00)

Ch�Set�(CONV01)

Ch�Set�(CONV02)

Ch�Set�(CONV03)

Ch�Set�(CONV07)

State Pointer

MAX�CONV1

Ch�Set�(CONV08)

Ch�Set�(CONV09)

Ch�Set�(CONV10)

Ch�Set�(CONV11)

Ch�Set�(CONV15)

State Pointer

MAX�CONV2

Sequence Arbiter

12-Bit A/D Converter

SOC EOC

S/H-A

S/H-B

MUX

Select

ADCINA0 ADCINA1

ADCINA7

MUX

Select

ADCINB0 ADCINB1

ADCINB7

SOC1 EOC1

Note:�Possible�values: Channel�Select�=�0-15 MAX�CONV1�=�0-7 MAX�CONV2�=�0-7

Software

ePWM_SOC_A

External�Pin

(XINT2_ADCSOC)

Start-of-sequence Trigger

SEQ1 SEQ2

SOC2 EOC2

MUX

ADCRESULT0

ADCRESULT1

ADCRESULT7

Result Select

Result

MUX

ADCRESULT8

ADCRESULT9

ADCRESULT15

Result Select

Result

MUX

Software

ePWM_SOC_B

Start-of-sequence Trigger

ADC�start�of�conversion�(SOC)�trigger�sources

Analog�MUX

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Architecture and Description of ADC Module

Figure 1 illustrates a simplified block diagram of the ADC architecture.

模数转换器模块的结构和描述

图1 显示了

ADC

结构的精简模块图

图

1. ADC

结构的精简模块图

2.1

主要模块和它们的功能

两个8通道的多路复用器(A和B)扩展了模拟输入到16位通道，每一个

MUX

模块都有它自己的采样保值电路

(S/

H-A和S/H-B)

，这种双

MUX和S/H

使同时采样成为可能，例如，从A和B模块的每一个通道在同一个实体中采

样，读取电压和电流值，然后计算出瞬时功率。

位的

ADC

核是模数转换器的

管路

。序列发生器仲裁保持输入信号与

ADC

相接，包括在同步模式下。

双自动序列发生器

(SEQ1和SEQ2 )

可以随机选择序列，决定哪一个

ADC

通道和

ADC

的核相连接，这样就减少

了重复

ADC

操作带来的

CPU

过热问题。每8个状态的序列发生器在预订的程序单独转换成8个通道，并且序列

发生器1和序列发生器2可以级联形成单16通道的序列发生器。

模数转换模块的结构和描述

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可以利用

ADCMAXCONV

寄存器设置每个序列的转换数目（每个序列发生器上限是8个，如果级联的就是

）。图1显示了四个不同的外置信号，它们可以作为序列发生器

1(SEQ1)

的开始转换

(SOC)

的触发器，也可以利用软件或脉冲宽度调制

(PWM)

设置序列发生器

2(SEQ2)

的触发器。

该模块有16个结果寄存器

(ADCRESULT0 – ADCRESULT15)

，这些寄存器在开始转换成系统存储之前，保存

着模数转换器的计数，任何输入通道

(ADCINxx)

，在序列里都可能被分配给每一次转换，这样就可以很方便

重复或者跳过任何通道和通道数在

ADCRESULTn

寄存器中的序列。

每一个序列的结束

(EOS)

都会产生三个不同的中断信号

ADCINT，SEQ1INT和SEQ2INT

，这些中断信号可以

把从结果寄存器中的数据转移到系统存储器中。有关

ADC

的操作的中断服务程序

(ISR)

只有

CPU

可以干涉，

这样在完成转换中就减少了

CPU

的消耗。更多的有关自动转换序列的细节，可以参考

TMS320x280x, 2801x,

2804x DSP

模数转换器参考指南

(SPRU716) [4]

和

TMS320x281x DSP

模数转换器参考指南

(SPRU060) [5].

关键说明

在进行设置之前，首先要审查一下说明，必须确保你对这些数据转换的术语比较熟悉，在这个简短关键要注意的是，采样频率和输入模拟信号的范围，增益和偏离误差是下一阶段要考虑的重要参数，必须对它们进行有效地处理才能使系统正常。

在

F280x/F280xx

芯片上的最大采样频率是

12.5/6.25/3.75 MSPS 而F281x

芯片为

12.5 MSPS

。

在

F280x/F2801x

芯片上最大模数转换器的时钟为

25/12.5/6.25 MHz

而在

F281x

芯片上为

25 MHz

输入信号的范围是

0 V to 3.0 V

，偏移误差和增益误差与其它的模数转换器一样。

更多的细节可以参考其它详细说明，或参考下列芯片的电气部分：

TMS320F2 8 0 9 , TMS320F280 8 , TMS320F2806, TMS320F2802, TMS320F2801, TMS320C2802, TMS320C2801, 和TMS320F2801x DSPs

数据手册

(SPR S230) [2],

TMS3 2 0F2810,T M S320F28 11, T MS320F 2 812 , TMS 3 20C2810,

TMS320C2811,TMS320C2812

数字信号处理数据手册

(SPRS174) [3]

和

TMS320F28335, TMS320F28334,

TMS320F28332, TMS320F28235, TMS320F28234, TMS320F28232

数字信号控制数据手册

(SPRS439) [19].

•

2.2

硬件设置

在

ADC

硬件设计方面，有两个主要的方面：

为了实现

ADC

的一定功能，添加的无源器件。

处理模拟输入信号的电路。在第5部分有许多有关完成原理图和电路板设计的内容

•

3.1

ADC

的设定和操作

在这一部分将要讨论设计问题。在硬件方面，需要考虑的是外围被动器件，也就是为了实现一些功能而添加的器件，同样为实现功能的模拟输入信号与

ADC

输入引脚相连接的问题也是非常重要的。电源供电和外部参

考电压在

3.2.2

部分讨论。

模数转换器的准备和运行

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3.1.1 Required External Components for the ADC

ADCINA[7:0]

ADCINB[7:0]

ADCLO

ADCREFIN

ADCRESEXT

ADCREFP

ADCREFM

DD1A18

DD2A18

SS1AGND

SS2AGND

DDA2

SSA2

DDAIO

SSAIO

Analog�Input�0�V�to�3�V�with�respect�to ADCLO

Connect�to�analog�ground

Float�or�ground�if�internal�reference�is�used

2.2�µF

(A)

2.2�µF

(A)

22�K�

ADC Analog�Power�Pin�(1.8�V)

ADCREFP and ADCREFM should�not�be�loaded�by external�circuitry

ADC Analog�Ground�Pin

ADC Analog�Power�Pin�(3.3�V)

ADC Analog�Ground�Pin

ADC Analog�Power�Pin�(3.3�V)

ADC Analog�I/O�Ground�Pin

ADC�16-Channel

Analog�Inputs

ADC�External�Current

Bias�Resistor

ADC�Reference�Positive�Output

ADC�Reference�Medium�Output

ADC�Power

ADC Analog�and

Reference�I/O�Power

3.1.2 Analog Input Signal Interface

Source

Signal

ADCIN0

C 10�pF

1�k

�

1.64�pF

28x�DSP

Switch

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ADC Set-Up and Operation

Few external components are required for biasing of internal band gap reference and filtering noise on reference voltage signals. Figure 2, reproduced from F280xx data sheets, shows these parts and their connections.

Figure 2. ADC Pin Connections for TMS320F280xx

These pins must be connected as shown above. The F281x devices require different values for these parts (Appendix A).

The next step is to design the hardware interface connecting the input analog signals to the ADCINxx pins. Note that each input analog signal sees the load from the ADCIN pin as shown in Figure 3. Chis the sample capacitor and Ronis the ON resistance of the multiplexer path. Cpis the parasitic capacitance associated with the ADCIN pin.

3.1.1 Required External Components for the ADC

ADCINA[7:0]

ADCINB[7:0]

ADCLO

ADCREFIN

ADCRESEXT

ADCREFP

ADCREFM

DD1A18

DD2A18

SS1AGND

SS2AGND

DDA2

SSA2

DDAIO

SSAIO

Analog�Input�0�V�to�3�V�with�respect�to ADCLO

Connect�to�analog�ground

Float�or�ground�if�internal�reference�is�used

2.2�µF

(A)

2.2�µF

(A)

22�K�

ADC Analog�Power�Pin�(1.8�V)

ADCREFP and ADCREFM should�not�be�loaded�by external�circuitry

ADC Analog�Ground�Pin

ADC Analog�Power�Pin�(3.3�V)

ADC Analog�Ground�Pin

ADC Analog�Power�Pin�(3.3�V)

ADC Analog�I/O�Ground�Pin

ADC�16-Channel

Analog�Inputs

ADC�External�Current

Bias�Resistor

ADC�Reference�Positive�Output

ADC�Reference�Medium�Output

ADC�Power

ADC Analog�and

Reference�I/O�Power

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ADC Set-Up and Operation

模数转换器需要的外部器件

为了偏置内部带宽间隔的参考和实现参考电压信号的滤波，需要添加一些外部器件。图2，显示了

F280xx

数

据手册中这一部分的连接和器件。

3.1.1

图

2. TMS320F280xx

芯片的

ADC

的引脚连接

这些引脚必须按照上面图来连接，对于

F281x

芯片需要不同的值，在附件A中可以看到。

模拟信号输入接口

这一步是设计输入模拟信号和

ADCINxx

引脚连接的硬件接口，需要注意的是，每一个输入的模拟信号都被看

作是

ADCIN

引脚的负载，如图3所示，

是

采样

电容，

是多路复用的导通电阻，

是和

ADCIN

引脚连接的

寄生电容。

3.1.2

图

模拟输入阻抗模型

(F280xx)

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Op Amp

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For every conversion, the S/H switch is closed for a period equivalent to (ACQ_PS + 1) × ADCCLK cycles. During this period, the sample capacitor Chis charged to the voltage on the ADCIN pin that is connected through MUX. The source impedance of this analog signal should be as low as possible and remain stable when it is being sampled. The external driver and filter circuit has to be designed considering the above circuit and component values. The higher the source impedance, the higher the ACQ_PS (sample time) value number should be set. The goal is to charge the S/H capacitor to the voltage equal to the VINvalue; with less than one-half least significant bit (LSB) in error.

It is a good practice to use an op-amp driver circuit for signal conditioning of input analog signals and as a buffer. It provides low/stable output impedance and can be configured as filter or level shifter; it also protects the ADC inputs. Figure 4 shows a commonly used ADC driver circuit configuration for DC and low-frequency signals. The voltage range of an analog signal should be restricted between 0 V and 3.0 V.

Note: First, the analog signals travel through a multiplexer network. Any voltage out of 0 V-3.0 V

range will bias the multiplexer in an undesired way, giving incorrect values for other channels as long as the out-of-range voltage remains.

For achieving good accuracy, the sample capacitor should be charged to within LSB of the final value.

首先模拟信号穿过多路复用网络，任何超过

0 V-3.0 V

范围的电压会产生不可想象的偏移，只要电

压值超过范围，其他通道的值就是错误的。

注释：

对每一次转换，取样/保持开关在

(ACQ_PS + 1)

ADCCLK

时间内是关闭的，在这段时间内，采样电容Ch在

充电，电容上的电压即

ADCIN

引脚上电压，并且这个引脚和

MUX

连接。模拟信号上的源阻抗应该尽量低并且当开始采样的时候保持稳定。外部驱动和滤波电路必须按照上面的电路和器件的数值来进行设计。源阻抗越高，就需要把

ACQ_PS(

采样时间)的值设置越高，目的是要改变采样/保持电容的电压和

值相等，不过同时

会带来小于

1/2LSB

错误信号。

利用运算放大器驱动电路对输入模拟信号进行处理同时作为缓冲，是一个很好方法，它提供了低而稳定的输出阻抗，并且可以配置成滤波器或电平移动电路，同时还可以保护

ADC

的输入。图4显示了一般针对直流、

低频信号

ADC

驱动电路的配置，模拟信号的电压范围被严格控制在0V到

3.0 V

。

为了得到准确地好的结果，采样电容应该控制在最终

LSB

值的有效范围内。

运算放大器独立于模数转换器，对采样电容来说是一个低阻抗源，可以配置成一个整体的增益缓冲。外部

，

引脚形成了低通滤波，独立于

ADC的R

在采样期间是起放大作用的，

CIN

有助于信号的稳定。

是上次采样值，理想情况下是零，如果反复采样的话，就可能是上次采样的值。

是

MUX

的导通电阻，

在采集时，S1关闭，S2打开。采集电容

CSH(1.64 pF)

通过开关电阻

RSW (1 kW)和RIN (

通常不会超过

50 W)

进行

充电。充电电容按照下面的公式计算。

对于由

RSW 和C

构成的RC电路来说，置位的时间是

9ns

，这个时间远远小于在

12.5MSPS

条件下的最小采样

窗口

40 ns

的时间，然而，这个时间远远大于外部的RC电路所消耗的时间。为了满足

ACQ_PS

或低采样频率，

同时满足设计时采样率的需要，置位时间应该设置为较高的值。

建议的运算放大器采用TI公司的

OPA340和OPA350

，它们由单电源供电，具有很高的精度。

Op Amp

V (t) = V ( - e )

c IN

�

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Note: First, the analog signals travel through a multiplexer network. Any voltage out of 0 V-3.0 V

range will bias the multiplexer in an undesired way, giving incorrect values for other channels as long as the out-of-range voltage remains.

For achieving good accuracy, the sample capacitor should be charged to within LSB of the final value.

Figure 4. Typical Buffer/Driver Circuit for ADCIN

The op-amp isolates the ADC and acts as a low-impedance source to charge the sample capacitor; it can be configured as a unity gain buffer. External RINand CINform a low-pass filter. RINisolates the ADC from the amplifier during sampling; CINhelps in signal stability.

VPSis the residue from a previous sample. Ideally it would be zero, but if you are sampling back-to-back, it approaches the previously sampled value. RSWis the on-resistance of MUX. During acquisition, S1 is closed, S2 is open. The sampling capacitor CSH(1.64 pF) is charged through the switch resistor R

(1 kΩ) and RIN(should not exceed 50 Ω, typically). The action of charging the capacitor is shown in following equation.

软件设置

首先要按照系统的需要，设置

ADC

的相关配置，包括采样频率、选取输入序列通道和

ADC

中断管理等。上述

操作需要通过一些寄存器来设置，附件的代码文件包含了完整的设定程序。

3.2

图

4. ADCIN

典型的缓冲/驱动电路

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设置

ADC

寄存器

最基础的设置是采样速率、选择/设置自动序列、选择采样的模式、选择开始转换信号和设置序列发生器的通道。例如第16位结果寄存器存有这样一个值，目的是为了使输入通道按照你想要的顺序，同时为了记住每个序列需要转换的数量。这一部分讨论了如何设置这些参数，解释了

EOS

的中断，这些中断是为了

CPU

以最小

的代价同步把

ADC

计数从结果寄存器中传到系统数据存储器

(RAM)

中。

ADC

的操作是在后台执行，没有消耗

任何

CPU

，主要是因为自动时钟的功能。如果想得到更详细的

ADC

外设寄存器的信息可以参考

F281x

芯片的

TMS320x281x DSP

模数转换器

(ADC)

参考指南

(SPRU060) [5]

和针对

F280xx

芯片的

TMS320x280x, 2801x,

2804x

模数转换器参考指南

(ADC) (SPRU716) [4]

。

3.2.1

ADC

上电和参考电压的选择

在所有的

F28xx/F28xxx

芯片的复位时，

ADC

内部带隙和参考电路都处于电源关闭状态。

ADC

模块的时钟输入是无效的。带隙是参考电路和模数转换器可以一起上电，在关闭时，可以同时关掉。然

而，对

F281x

芯片，带隙参考需要首先上电，紧接着是

ADC

复位上电。

内部带隙参考电压的电路有百万分之

50 (PPM)/

℃的温度稳定性。如果系统需要更精确的温度变化时，则需要采用具有很大温度稳定性的外部电压参考源。外部电压参考源电路在转换期间提供了足够的驱动和低噪声环境，典型的原理图在

TMS320x281x DSP

模数转换器参考指南

（

SPRU060) [5]

，中可以看到。

模数转换器的上电顺序如下：

使能模数转换器时钟。设置

PCLKCR1

寄存器的

ADCENCLK位= 1

。

如果需要，设置外部

REF

。

对于

F280xx

设备，

ADCREFIN

输入电压

(1.024 V, 1.500 V, 或 2.048 V)

代替了内部BG电压。内部BG电压是用来

产生

REFP/REFM

信号，在模数转换器转换期间要使用到。

ADCREFSEL

寄存器的两个

REF_SEL

位的值设置如下

= 00

内部参考电压(默认

)

= 01

外部参考电压

2.048 V

= 10

外部参考电压

1.500 V

= 11

外部参考电压

1.024 V

F281x

设备:让

EXTREF (ADCCTRL3) = 1

逻辑上不连接

REFP/REFM

，用户可使用外部参考电压。如果

ADCREFP

引脚接

2.0 V，ADCREFM

引脚接

1.0 V， ADCREFP – ADCREFM

之间的电势差应该是

1.00 ± 0.01 V

。

3.2.2

对于

F280xx和F281x

芯片，不管外部参考电压是多少，

ADC

模拟输入的电压范围仍然是

0 V to 3 V

注释：

在

ADC

上电之后，对

F280xx

芯片允许有

5 ms延时 (对F281x

芯片有

10 ms延时)

，这样以便于

REFP

和

REFN

引脚上的外部电容在适当时充电，在这段期间

ADC

的计数是不准确的。

注释：

3. 给ADC

上电，需要设置

ADCTRL3

寄存器中的

ADCBGRFDN和ADCPWDN位= 1

。

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