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ZHCA984A December 2019 – August 2021 MSP430FR2000 , MSP430FR2032 , MSP430FR2033 , MSP430FR2100 , MSP430FR2110 , MSP430FR2111 , MSP430FR2153 , MSP430FR2155 , MSP430FR2310 , MSP430FR2311 , MSP430FR2353 , MSP430FR2355 , MSP430FR2422 , MSP430FR2433 , MSP430FR2475 , MSP430FR2476 , MSP430FR2512 , MSP430FR2522 , MSP430FR2532 , MSP430FR2533 , MSP430FR2632 , MSP430FR2633 , MSP430FR2672 , MSP430FR2673 , MSP430FR2675 , MSP430FR2676 , MSP430FR4131 , MSP430FR4132 , MSP430FR4133

3.4 选择正确的采样和转换时间实现目标转换率

采样（采样保持）时间决定了在执行数字转换之前对信号进行采样的时间。在采样期间，内部开关允许对输入电容器充电。电容器完全充电所需的时间取决于连接到 ADC 输入引脚的外部模拟前端 (AFE)。图 3-3 所示为 MSP430 MCU 的典型 ADC 模型。R_I 和 C_I 值可从器件特定数据表中获取。

图 3-3 模拟输入等效电路

了解 AFE 驱动能力至关重要。如果可能，请按照图 3-2 对 AFE 进行建模。了解这一点后，计算对信号进行采样所需的最小采样时间。源电阻（R_S 和 R_I）会影响 t_sample。Equation4 可用于计算 n 位转换的最小采样时间 t_sample 的保守值。

Equation4.

t_{sample} ≥ (R_{S} + R_{I}) \times \ln (2^{n + 2}) \times (C_{I} + C_{pext} + C_{pint})

基于常见的 R_S 假设，可采用更简单的模型。根据 MSP430FR235x 和 MSP430FR215x 数据表，ADC 采样时间 (t_Sample) 的最小值，应按 (C_I + C_external) × (R_S + R_I) × Tau 计算得出。“采样时间的最小值”是指在定义的条件下导致误差小于 ±0.5LSB 所需的最小时间。

表 3-1 MSP430FR2355 的 ADC 时序参数

参数		测试条件	器件等级	V_CC	最小值	最大值	单位
f_ADCCLK	ADC 时钟频率	ADC 时钟，10 位模式	T	2.4V 至 3.6V		6.0	MHz
f_ADCCLK	ADC 时钟频率	ADC 时钟，12 位模式	T	2.4V 至 3.6V		4.4	MHz
t_Settling	ADC 的接通稳定时间⁽¹⁾	t_ADCON 后开始的转换误差小于 ±0.5LSB，基准和输入信号已稳定	T			100	ns
t_Sample	采样时间	R_S = 1000Ω，R_I = 4000Ω， C_I = 5.5pF，C_external = 8.0pF， 10 位模式下，小于 ±0.5LSB 的误差需要大约 7.62 Tau (t)	T	2.4V 至 3.6V	0.52		µs
t_Sample	采样时间	R_S = 1000Ω，R_I = 4000Ω， C_I = 5.5pF，C_external = 8.0pF， 12 位模式下，使误差小于 ±0.5LSB 需要大约 9.01 Tau (t)	T	2.4V 至 3.6V	0.61		µs

(1) 不包括 ADC 转换时间。ADC 转换时间设定为 (N + 2) × 1/f_ADCCLK。

采样保持时间取决于模式（脉冲采样模式或扩展采样模式）。ADCSHTx 位仅在脉冲采样模式下控制采样和保持时间。定时器可用于控制扩展采样模式下的采样保持时间，实现更精细的控制。

表 3-2 ADCCTL0 寄存器

15	14	13	12	11	10	9	8
保留				ADCSHTx
r0	r0	r0	r0	rw-(0)	rw-(0)	rw-(0)	rw-(1)

7	6	5	4	3	2	1	0
ADCMSC	保留		ADCON	保留		ADCENC	ADCSC
rw-(0)	r0	r0	rw-(0)	r0	r0	rw-(0)	rw-(0)

表 3-3 ADCCTL0 寄存器说明

位	字段	类型	复位	说明
11-8	ADCSHTx	RW	1h⁽¹⁾	ADC 采样保持时间。这些位定义 ADC 采样周期中的 ADCCLK 周期个数。仅在 ADCENC = 0 时可修改。在转换激活情况下，通过软件复位 ADCENC = 0 和更改这些字段会立即产生效果。 0000b = 4 个 ADCCLK 周期 0001b = 8 个 ADCCLK 周期 0010b = 16 个 ADCCLK 周期 0011b = 32 个 ADCCLK 周期 0100b = 64 个 ADCCLK 周期 0101b = 96 个 ADCCLK 周期 0110b = 128 个 ADCCLK 周期 0111b = 192 个 ADCCLK 周期 1000b = 256 个 ADCCLK 周期 1001b = 384 个 ADCCLK 周期 1010b = 512 个 ADCCLK 周期 1011b = 768 个 ADCCLK 周期 1100b = 1024 个 ADCCLK 周期 1101b = 1024 个 ADCCLK 周期 1110b = 1024 个 ADCCLK 周期 1111b = 1024 个 ADCCLK 周期

位

字段

类型

复位

说明

11-8

ADCSHTx

1h⁽¹⁾

ADC 采样保持时间。这些位定义 ADC 采样周期中的 ADCCLK 周期个数。

仅在 ADCENC = 0 时可修改。在转换激活情况下，通过软件复位 ADCENC = 0 和更改这些字段会立即产生效果。

0000b = 4 个 ADCCLK 周期

0001b = 8 个 ADCCLK 周期

0010b = 16 个 ADCCLK 周期

0011b = 32 个 ADCCLK 周期

0100b = 64 个 ADCCLK 周期

0101b = 96 个 ADCCLK 周期

0110b = 128 个 ADCCLK 周期

0111b = 192 个 ADCCLK 周期

1000b = 256 个 ADCCLK 周期

1001b = 384 个 ADCCLK 周期

1010b = 512 个 ADCCLK 周期

1011b = 768 个 ADCCLK 周期

1100b = 1024 个 ADCCLK 周期

1101b = 1024 个 ADCCLK 周期

1110b = 1024 个 ADCCLK 周期

1111b = 1024 个 ADCCLK 周期

(1) 10 位 ADC 的默认值为 0h，12 位 ADC 的默认值为 1h。

在 V_CC 为 2.4V 至 3.6V、分辨率为 12 位的条件下，最小 ADC 采样时间为Equation5。

Equation5. 9.01 (Tau) × (1000 + 4000) × (5.5 + 8.0) × 10^–12 = 0.61 × 10^–6s = 0.61µs

在公式中，R_S = 1000Ω 和 C_external = 8.0pF 是针对一般情况的假设值。9.01Tau、R_I = 4000Ω，以及 C_I = 5.5pF 是通过测试和计算得到的已知值。

计算最小采样保持时间后，可确定 ADC 的适当设置，包括选择正确的 ADC 时钟。关键目标是优化应用中的采样保持时间。如果采样保持时间远超所需时间，那么在这段时间内运行 ADC 就是浪费能源。采样保持时间也限制了最大采样率。如果您的应用需要比最小值更长的采样保持时间，则需要在性能和最大采样率之间进行权衡。